納米光催化劑首現量子限域效應 實現可見光分解水製氫

過份依賴燃燒化石燃料導致氣候變遷，尋找清潔的替代能源刻不容緩。而運用太陽能將水分解，環保地生產出高能量密度的氫作為燃料，正是熱門方案之一。由香港城市大學（香港城大）和德國學者共同領導的一個研究團隊，首次在具有三維有序結構的一種光催化劑材料中發現量子限域效應，令該材料由本來不能產生氫氣，變成在結合可見光的情況下，竟能從水分解出氫氣和氧氣，為材料賦予製氫的新功能。此發現為應對能源和環境問題，提供了解決方案。

該研究由香港城大能源及環境學院（SEE）副教授吳永豪博士，以及德國的學者共同領導。有關研究成果已在科學期刊《ACS Energy Letters》上發表，題為〈Unveiling Carrier Dynamics in Periodic Porous BiVO₄ Photocatalyst for Enhanced Solar Water Splitting〉。

本來只產氧的光催化劑新增產氫功能

吳博士是研究光催化的專家。他指出，一般用於分解水的光催化劑只能吸收光譜中的紫外光，但那只佔太陽光大約4%的能量。而釩酸鉍（BiVO₄）是一種對可見光及紫外光都有反應的氧化金屬光催化劑，令可吸收的太陽光光譜大增至約30%。當中，以具有三維有序大孔結構（3D-ordered macroporous, 3DOM）的釩酸鉍的光催化效果最佳，許多研究都將原因歸於有序及呈孔狀的結構提供了更大的表面積、更能吸收光、抑制電荷重組，因此提升了光催化的活性。

不過，對於光活性如何受高度有序孔狀納米結構中的電荷傳輸所影響，科學界似乎未有系統性的研究。就此，研究團隊探究了釩酸鉍在3DOM結構，和片狀時的載流子動力學（carrier dynamics），及其在光催化水分解過程中的效能。

團隊發現在可見光的照射下分解水，對比起片狀，釩酸鉍具3DOM結構時會產生接近兩倍的氧氣，陽極光電流密度（anodic photocurrent density）亦更高，因此具有更高的光催化效能。吳博士進一步說：「更令人意外的發現是，本來用以生產氧氣的釩酸鉍，原來在3DOM結構時照射可見光，從水不但可產生氧，還可產生氫，這是從未被報導過的。」

首次發現量子限域效應

那為甚麼3DOM結構的釩酸鉍可以產氫呢？論文的第一作者兼吳博士實驗室能源項目負責人吳昊博士，點出是次研究的嶄新發現說：「我們發現在3DOM釩酸鉍只有5納米的超薄結晶內壁，出現了量子限域（Quantum confinement，即當材料的體積縮小至納米級別時，能級和帶隙會出現變化），因此提高了導帶（conduction band）能級位置，促成生產氫氣的還原反應，所以這種光催化劑才在可見光的照射下，由水分解出氫氣。」

吳永豪博士補充說：「一般釩酸鉍因為導帶位置的關係，是不能生產出氫氣的。現時歸功於量子限域效應，提高了導帶能級位置才可以產氫。這也是科學界首次發現3DOM結構釩酸鉍的量子限域效應。」

團隊更發現無需使用助催化劑（cocatalyst），3DOM結構釩酸鉍於可見光照射下，仍然可以從實驗所用的溶液中生產出氫氣，而片狀的釩酸鉍則幾乎毫無產量。助催化劑是協助催化劑發揮作用的物質，活性很低，作用一般是捕獲電子、促進載流子分離等。

另外，團隊也使用了時間分辨微波傳導技術（time-resolved microwave conductivity），進一步分析3DOM結構的釩酸鉍，發現與片狀的釩酸鉍相比，3DOM結構的電荷遷移率提升了接近6倍、電荷載流子的壽命延長了近18倍、電荷的有效擴散距離亦增加了約9倍，提高了光催化效率。

下一目標：分解廢水

吳永豪博士的團隊在開發高效光催化系統方面擁有豐富的經驗，而這項研究更可謂是了解金屬氧化物半導體，和高度有序多孔結構中電荷傳輸的重要一步。

他們的下一個目標是分解廢水，並且探索擴大光催化系統規模的方法。吳永豪博士總結說：「太陽能水分解不會造成碳排放，能夠環保地產氫。而所得的氫氣就可以用於燃料電池發電或工業。我們相信此技術在未來的應用會更廣泛，因為市場對氫的需求甚大。」

吳永豪博士以及來自亥姆霍茨柏林研究中心太陽能燃料研究所（Institute for Solar Fuels, Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB）的Fatwa F. Abdi博士，均是論文的通訊作者。而第一作者是香港城大SEE的博士後研究員吳昊博士。同樣來自SEE的博士後鍾凱盈博士亦有參與研究。其他研究人員則來自HZB和北京工業大學。

研究獲得香港研究資助局和深圳市科技創新委員會的資助而進行。

https://www.cityu.edu.hk/zh-hk/research/stories/2021/10/12/quantum-confinement-discovered-porous-nano-photocatalyst-which-produces-hydrogen-under-visible-light-water-splitting