「最新进展」纳米金刚石作为光催化剂，或将开启CO2光催化新局面科學頭條網

材料到了纳米级别，其表面积会成倍增加，表面能高、表面原子所占比例也会显著提高，具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，也就是所谓的纳米效应。其中纳米粒子的催化效应，是目前研究的一大热门领域。

纳米金刚石材料被认为是低成本光催化剂的热门候选者，它们可以通过光激活，加速水和二氧化碳之间的某些反应，并产生碳中性的“太阳能燃料”。欧盟项目DIACAT现在已经用硼掺的纳米金刚石材料，并在BESSY II中展示了它如何能够显着改善光催化性能。

掺杂后的金刚石泡沫。

图片来源：P。Knittel / Fraunhofer IAF

全球气候变化，尤其是温室效应愈演愈烈，全球CO2排放量没有显著减少，情况依然是刻不容缓，因此我们需要更多的选择来遏制这种发展趋势。

有一种思路是讲温室气体CO2返回到能量循环中：CO2可与水反应生成甲醇这种可良好地运输和储存的燃料。这种想法让人联想到光合作用的部分反应过程，需要能量和催化剂。如果我们成功地利用太阳光中的这种能量并开发出不是由铂等稀有金属制成，而是由廉价且大量可用的材料制成的光活性光催化剂，就有可能以气候中性的方式生产“绿色”太阳能燃料。

金刚石纳米材料需要紫外线才能激活

这种光催化剂的候选者是所谓的金刚石纳米材料，这些不是珍贵的结晶钻石，而是几千个碳原子的微小纳米晶体，它们可溶于水，看起来更像黑色浆料，或具有高表面积的纳米结构“碳泡沫”区域。然而，为了使这些材料具有催化活性，它们需要UV光进行激发。只有这个光谱范围的太阳光能够足够充分地将电子从材料传输到“自由状态”。只有这时溶剂化的电子才能在水中发射并与溶解CO2反应生成甲醇。

掺杂能起作用吗？

然而，太阳光谱中的UV分量不是很高。也可以使用可见光谱的光催化剂是理想的。这就是柏林亥姆霍兹材料与能源中心（HZB）科学家Tristan Petit及其在DIACAT的合作伙伴的工作所在：由乌普萨拉大学的Karin Larsson执行的这些材料的能级建模表明，通过掺杂外来原子可以将中间阶段构建到带隙中。硼，三价元素，显得尤为重要。

Tristan Petit教授

BESSY II的实验表明：是的，但......

因此Petit和他的团队研究了多晶金刚石，金刚石泡沫和纳米金刚石的样品。这些样品先前已在维尔茨堡的AnkeKrüger和弗赖堡的Christoph Nebel组合成。在BESSY II中，X射线吸收光谱用于精确测量未被占据的能量状态，其中电子可能被可见光激发。“存在于这些纳米金刚石表面附近的硼原子实际上导致了带隙中所需的中间阶段，”该研究的第一作者，博士生Sneha Choudhury解释道。这些中间阶段通常非常接近价带，因此不允许有效使用可见光。然而，测量结果表明，这也取决于纳米材料的结构。