近日，一项关于光催化水分解制氢的研究取得了重要进展。作为将太阳能转化为化学能的关键技术之一，光催化水分解制氢对于减少对化石能源的依赖、缓解环境污染具有重要意义。
中国科学院的一支研究团队宣布，通过在二氧化钛中引入稀土元素钪，成功设计出一种具有定向光生电荷传输通道的新型催化材料，显著提升了制氢效率。目前，太阳能制氢主要分为两种方式：一是利用太阳能发电后进行电解水制氢；二是通过太阳光直接光解水制氢。尽管二氧化钛被誉为“光催化材料”，但其自身存在一些限制因素，例如被激活的电子和空穴容易发生复合反应，且高温制备过程中容易产生原子级缺陷，从而降低制氢效率。
为解决上述问题，研究团队采用了“元素替代”和“结构优化”的策略。他们选择了稀土元素钪，因其离子半径与钛相近，能够有效替代钛的位置，同时其价态还能中和氧空位带来的电荷失衡，并重构晶体的原子排布。实验表明，在二氧化钛中引入5%的钪原子后，成功制备出特定晶面组成的金红石相二氧化钛。这种新材料形成了类似“电荷高速公路”的结构，并产生强电场，大幅提高了光生电荷的分离效率。
经过测试，这种改造后的半导体光催化材料展现出显著的性能提升。其光生电荷分离效率较以往提高了200余倍，量子利用率突破30%，产氢效率更是比原有材料高出15倍。
研究人员表示，未来随着光催化分解水效率的进一步突破，该技术有望实现产业化应用，为能源结构的转型和升级提供有力支持。此外，这一成果还揭示了钪掺杂对金红石TiO2缺陷抑制的重要作用，为相关领域的研究提供了新的思路。
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