近日，中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗室先進(jìn)炭材料研究部制備出具有可見光全光譜吸收的紅色二氧化鈦光催化材料，這意味著有可能利用二氧化鈦基光催化材料實(shí)現(xiàn)高效可見光分解水制氫，對于太陽能的大范圍高效利用具有重要的意義。相關(guān)成果先后發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》和《能源與環(huán)?？茖W(xué)》。

據(jù)介紹，通過光催化實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，例如光催化分解水制氫，是獲得新能源的一個極具前景的重要途徑。發(fā)展可全光譜吸收可見光（波長為400～700納米）的光催化材料，是實(shí)現(xiàn)高效太陽能光催化轉(zhuǎn)化的前提。然而，多數(shù)穩(wěn)定的光催化材料的可見光吸收低。通過摻雜能縮小光催化材料的帶隙，是增加光催化材料可見光吸收的基本手段。銳鈦礦二氧化鈦是目前科學(xué)界研究最為廣泛的光催化材料。利用摻雜手段，可在一定程度上增加該材料的可見光吸收，但此前要實(shí)現(xiàn)可見光全譜強(qiáng)吸收仍是未解的難題。

此次科研人員通過間隙原子弱化金屬原子與氧（M-O）的鍵合實(shí)現(xiàn)替代晶格氧的摻雜原子進(jìn)入體相的新方法，成功突破了在非層狀結(jié)構(gòu)材料（如二氧化鈦）中實(shí)現(xiàn)摻雜原子的體相摻雜，從而獲得了硼/氮梯度共摻雜銳鈦礦二氧化鈦材料。改良材料呈現(xiàn)獨(dú)特的紅色，實(shí)現(xiàn)了可見光全譜強(qiáng)吸收，將二氧化鈦光電解水產(chǎn)氫的活性光響應(yīng)范圍拓展至700納米。

研究人員還系統(tǒng)研究了可見光全譜吸收二氧化鈦摻雜的原子鍵尺度理論機(jī)制。

該研究得到國家自然科學(xué)基金委重大研究項目、科技部“973”項目和中科院“太陽能行動計劃”的資助。