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科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一類新材料可提供將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為燃料的潛力

2021-08-30 16:08  來(lái)源:cnBeta.COM  瀏覽:  

無(wú)論是燃料價(jià)格上漲還是電網(wǎng)故障,全球能源危機(jī)的后果是難以忽視的。對(duì)替代燃料來(lái)源的需求比以往任何時(shí)候都大,但是,盡管太陽(yáng)能電池板很受歡迎,可絕大多數(shù)的太陽(yáng)能卻沒(méi)有得到開發(fā)。現(xiàn)在,一個(gè)多國(guó)研究小組探討了關(guān)于共價(jià)有機(jī)框架(COFs)的現(xiàn)有研究,這是一類新的光吸收化合物,是高效太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)燃料生產(chǎn)的潛在解決方案。

光催化劑從光中吸收能量以使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。最著名的光催化劑也許是葉綠素,植物中的綠色色素,幫助將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為碳水化合物。雖然碳水化合物可能會(huì)逐漸失寵,但光催化正在獲得比以往更多的關(guān)注。在光催化過(guò)程中,光線落在光催化劑上,增加了其電子的能量,并使它們打破它們的鍵,在催化劑上自由移動(dòng)。這些"被激發(fā)"的電子然后與化學(xué)反應(yīng)的原料發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生所需的產(chǎn)品。替代能源研究領(lǐng)域的一個(gè)重中之重是利用光催化劑將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料,這一過(guò)程被稱為"太陽(yáng)能-燃料生產(chǎn)"。

科學(xué)家們強(qiáng)調(diào)了一類新材料將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為燃料的潛力

正如Pardeep Singh博士所解釋的:"太陽(yáng)能已經(jīng)被成功地用于發(fā)電,但我們還不能有效地用它制造液體燃料。這些太陽(yáng)能燃料,像氫氣一樣,可以成為豐富的可持續(xù)、可儲(chǔ)存和可攜帶的能源供應(yīng)"。

COF的特長(zhǎng)在于它們能夠改善催化作用,并在其結(jié)構(gòu)中加入被稱為"官能團(tuán)"的特殊取代物分子,為繞過(guò)現(xiàn)有光催化劑的限制提供了一種方法。這是由于COFs的某些有利特性,如化學(xué)穩(wěn)定性、可控制的孔隙率和強(qiáng)大的電子脫域性,這使它們變得格外穩(wěn)定。

正如其名稱所示,COFs由有機(jī)分子組成,這些分子被粘合在一起,形成一個(gè)可以定制的結(jié)構(gòu),以適應(yīng)各種應(yīng)用。此外,強(qiáng)電子脫域意味著,與半導(dǎo)體光催化劑不同,激發(fā)的電子只在中途不經(jīng)意地重新結(jié)合,從而產(chǎn)生更多的激發(fā)電子用于化學(xué)反應(yīng)。由于這些反應(yīng)發(fā)生在光催化劑的表面,COFs增加的表面積和可修改的孔隙率是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。COF-光催化劑在將水轉(zhuǎn)化為氫氣,以及從二氧化碳生產(chǎn)甲烷方面找到了應(yīng)用,因此有希望獲得生產(chǎn)燃料和緩解全球變暖的雙重好處。此外,它們甚至可以幫助固氮、生產(chǎn)塑料和儲(chǔ)存氣體。

一種新的COF,共價(jià)三嗪框架(CTFs),目前處于制氫研究的最前沿。與石墨光催化劑相比,CTFs的產(chǎn)氫能力是其20-50倍,使其成為未來(lái)燃料生產(chǎn)的一個(gè)非常有前途的選擇。

然而,我們必須注意到基于COF的光催化劑同樣還處于早期開發(fā)階段,仍然不能像基于半導(dǎo)體的同類產(chǎn)品那樣有效地生產(chǎn)燃料。盡管如此,它們出色的性能和結(jié)構(gòu)多樣性使它們成為未來(lái)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為燃料研究的有希望的候選者,并成為解決當(dāng)前能源危機(jī)的可行方案。"最基本的問(wèn)題是探索穩(wěn)健的COFs衍生的催化劑,以達(dá)到預(yù)期的應(yīng)用??梢灶A(yù)計(jì),基于COF的光催化劑將在未來(lái)幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的里程碑,"Pankaj Raizada博士樂(lè)觀地總結(jié)道。

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