比翱观察丨气凝胶改性制成的光催化剂可以实现更高效的制氢

气凝胶是一种非凡的材料，曾多次创造吉尼斯世界纪录，包括作为世界上最轻的固体。

 

苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室的Markus Niederberger教授研究这些特殊材料已有一段时间了。他的实验室专门研究由晶体半导体纳米粒子组成的气凝胶。“我们是世界上唯一一家能够以如此高的质量生产这种气凝胶的集团”他说。

基于纳米粒子的气凝胶的一种用途是作为光催化剂。每当需要在阳光的帮助下启用或加速化学反应时，就会使用它们 —— 一个例子是氢气的生产。

由钯和氮掺杂的TiO₂纳米粒子组成的片状气凝胶
 

光催化剂的首选材料是半导体二氧化钛(TiO₂)。但TiO₂有一个主要缺点：它只能吸收阳光中的紫外线部分— —大约是光谱的5%。如果光催化要高效并在工业上有用，催化剂必须能够利用更宽的波长范围。

用氮掺杂拓宽光谱

这就是为什么Niederberger的博士生Junggou Kwon一直在寻找一种新方法来优化TiO₂纳米颗粒制成的气凝胶。她有一个绝妙的想法：如果TiO₂纳米颗粒气凝胶被氮“掺杂”（使用技术术语），使得材料中的单个氧原子被氮原子取代，那么气凝胶就可以吸收光谱中更多的可见部分。掺杂过程使气凝胶的多孔结构完好无损。关于该方法的研究最近发表在《应用材料与界面》期刊上。

 

Kwon首先使用TiO₂纳米颗粒和少量贵金属钯生产气凝胶，这在光催化制氢中起着关键作用。然后，她将气凝胶放入反应器中，并注入氨气。这导致单个氮原子嵌入到TiO₂纳米颗粒的晶体结构中。

气凝胶的海绵状内部结构。图片来源：苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室 

改性气凝胶使反应更高效

为了测试以这种方式改性的气凝胶是否真的提高了所需化学反应的效率— —在这种情况下，是用甲醇和水生产氢气 — — kwon开发了一种特殊的反应器，她直接将气凝胶整体放入其中。然后，她将水和甲醇的蒸汽引入反应器中的气凝胶，然后用两个LED灯照射它。气态混合物通过气凝胶的孔扩散，在那里它被转化为二氧化钛和钯纳米颗粒表面所需的氢气。

五天后，Kwon停止了实验，但直到那时，反应稳定并在测试系统中连续进行。“这个过程可能会稳定更长时间，”Niederberger说。“特别是在工业应用方面，重要的是它尽可能长时间保持稳定。”研究人员也对反应的结果感到满意。添加贵金属钯显著提高了转化效率：使用含钯的气凝胶产生的氢气比不使用钯的气凝胶多70倍。

 

增加气体流量

该实验主要为研究人员提供可行性研究。作为一类新型光催化剂，气凝胶提供了特殊的三维结构，并为除产氢之外的许多其他有趣的气相反应提供了潜力。与当今常用的电解相比，光催化剂的优势在于它们可以仅使用光而不是电来生产氢气。

 

Niederberger团队开发的气凝胶是否会被大规模使用仍然不确定。例如，仍然存在如何加速通过气凝胶的气体流动的问题；此刻，极小的气孔对气流的阻碍太大了。“要在工业规模上运行这样的系统，我们首先必须增加气流并改善气凝胶的辐照，”Niederberger说。他和他的团队已经在研究这些问题。

 

气凝胶是特殊材料。它们非常轻且多孔，并拥有巨大的表面积：一克材料的表面积可达1200平方米。由于它们的透明度，气凝胶具有“冷冻烟雾”的外观。它们是优良的隔热材料，因此用于航空航天应用，并且越来越多地用于建筑物的隔热。然而，它们的制造仍然需要大量的能源，因此材料价格昂贵。1931年，化学家Samuel Kistler用二氧化硅生产了第一个气凝胶。

更多信息：Junggou Kwon et al, Gas-Phase Nitrogen Doping of Monolithic TiO2 Nanoparticle-Based Aerogels for Efficient Visible Light-Driven Photocatalytic H2 Production, ACS Applied Materials & Interfaces (2021).DOI: 10.1021/acsami.1c12579

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