- 新型光催化劑 CALiK 提高氫氧化氫產量 200%。
- 鋰和鉀原子的排列對催化效果至關重要。
- 光催化利用光觸發化學反應以產生氫氧化氫。
- CALiK 的產量是傳統催化劑的三倍。
德國科學家研發出一種新型光能催化劑 CALiK，通過巧妙調整鋰和鉀原子的排列，氫氧化氫的產量提高了 200%。該光催化劑基於氮化碳，其獨特結構使其能夠更有效地利用光來產生氫氧化氫。實驗室測試顯示，CALiK 的氫氧化氫產量是標準材料的三倍，這代表著產量的 200%增長。此外，該催化劑的表現比最佳測試的鋰單一催化劑高出約 40%。馬克斯·普朗克研究所的博士生安娜·洛·普雷斯蒂指出，催化劑的性能提升來自鋰和鉀原子的排列方式。
她強調，離子的空間位置對催化效果有著重要影響。普雷斯蒂補充道：「我們首次證明，不僅僅是離子的類型或數量重要，其在晶格中的位置同樣關鍵。」
催化劑性能提升的關鍵
氫氧化氫是一種無色、無味且略具粘性的液體，廣泛用作消毒劑、漂白劑及工業化學品。其生產過程通常依賴於蒽醌法（亦稱為 Riedl-Pfleiderer 法），這一過程耗能較大，且涉及多個化學處理步驟。相比之下，光催化利用光來觸發化學反應以產生氫氧化氫。氮化碳因能吸收光並利用其能量推動化學反應，已成為這一過程的有前景選擇。馬克斯·普朗克研究所的安娜·洛·普雷斯蒂與克里斯蒂安·馬克·佩利卡諾正在研究光催化劑 CALiK。
圖片/ Neubauer。
CALiK 的製作過程
然而，當氮化碳吸收光後產生的電荷很快重新結合，這使得其催化效率降低。為瞭解決這一問題，科學家們在氮化碳結構中引入鋰和鉀，並控制這些原子的位置。他們創建了一種特定的原子排列，以改善光產生的電荷分離。馬克斯·普朗克研究所的博士克里斯蒂安·M·佩利卡諾表示：「我們並不是通過改變光催化劑的化學組成來提高其效率，而是試圖改變其構建塊的排列方式。」
在催化劑的製作過程中，研究團隊以含碳和氮化合物及氯化鋰的特殊晶體作為起始材料，這些晶體的組成已以規則的三維結構排列。接著，他們使用氯化鉀加熱這些晶體，創造出 CALiK。佩利卡諾強調，這些晶體並不是新發現的，但其在生產氮化碳中的應用卻是新穎的。他補充道：「令我們感興趣的是，它們包含的化學成分與我們通常使用的前驅物是一致的。」
研究團隊將 CALiK 與傳統製備的氮化碳以及一種被稱為 CALi 的鋰單一版本進行比較。他們驚訝地發現，CALiK 的氫氧化氫產量是傳統催化劑的三倍，且比最佳的鋰單一催化劑多出 40%的氫氧化氫。這些發現表明，原子的精確擺放與催化劑的化學組成同樣重要。佩利卡諾在新聞稿中總結道：「關鍵的區別在於，這些離子已經以特定的方式排列，我們想知道這種排列是否能轉移到氮化碳材料上。」
該研究已發表在《先進材料》期刊上。
新型催化劑的創新與應用前景
CALiK 的開發顯示了在催化劑設計中，原子排列的重要性，這一發現可能會引領未來催化劑的研究方向。傳統的催化劑設計多集中於化學成分的改變，而 CALiK 則透過調整原子位置來提升效率，這為催化劑的創新提供了新的思路。此外，光催化技術的發展有助於減少生產氫氧化氫的能耗，符合可持續發展的需求，對環保和工業應用具有重要意義。