用微晶体和纳米线来分解水
科学家们正在寻找一种新的方法,以利用这个世界上最丰富的清洁能源之一:水。
通过纳米晶(又称量子点)与纳米线相结合,科学家们开发了一种新材料,这种新材料有望将水分解成氧和氢燃料,可用于汽车,公交车,船和其它类型的交通工具。
“氢被看作是清洁能源的重要来源,因为水在加热的时候,它是唯一的副产品,”布法罗大学化学家大卫 沃森博士说,他是该项目的一个领导者。“我们正在开发的混合材料,能够以低成本而且高效的方式生产氢气。”
沃森教授是布法罗大学艺术与科学学院化学系主任,他已经收到了美国国家自然科学基金会对该项目的资助(55万美元)。布法罗大学的物理学教授Peihong Zhang博士,也是该研究的合作者(该项目是另一个大项目的一部分),来自国家自然科学基金会的140万美元的研究项目,布法罗大学与德州农工大学,宾汉姆顿大学和伦斯勒理工学院一道开发的新型催化剂,用于分解水。
正在开发的材料是催化剂,用来获取阳光,驱动化学反应的发生,将水分解成氢和氧。
它们由与不同金属离子结合的钒氧化物的纳米线制成,然后涂上一层半导体量子点。
当它们暴露在太阳下时,这些混合材料产生了两个分解水的关键成分:一个是自由电子,另一个是化学家所称的电子空穴(通常应该存在一个电子,但却没有电子的位置)。电子和电子空穴都用于多步化学反应中,将水转化为氧和氢气。
到目前为止,研究团队成功地开发了有效地生产和分离自由电子和电子空穴的材料,尽管科学家们还没有证明他们的电子空穴可以成功地用于水裂解反应中。
从行业角度看,纳米线量子点方法是有益处的。纳米线和量子点都容易大批量生产,生产它们的原材料在地壳中储量丰富,而且它们都是“可调的”,沃森说。对此,他解释道,改变量子点的尺寸能够改变它们的电子特性,将钒氧化物纳米线与新材料结合也能达到同样效果。这使得调整它们的成分,在利用阳光分解水时,最大限度提高它们的效率成为可能。
“这是一个非常灵活的方法——一个将阳光和水转化成燃料的多功能平台,”沃森说。
科学家们利用美国国家科学基金会的资助,探索量子点和纳米线的最佳组合。通过合成新材料,他们能够通过计算方法预测,哪种结构可以获得最佳的电子特性。
“我们正在尝试将一些复杂机器结合,来模仿植物的光合作用,利用阳光分解水产生能源。机器将由纳米线和量子点块制成,就像玩乐高一样利用它们,” Sarbajit Banerjee博士说,他是德州农工大学化学系教授。“在超级计算机上进行计算,会指导我们如何快速将这些‘乐高’搭建起来。”
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