「最新進展」納米金剛石作爲光催化劑，或將開啓CO2光催化新局面科學頭條網

材料到了納米級別，其表面積會成倍增加，表面能高、表面原子所佔比例也會顯著提高，具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性，也就是所謂的納米效應。其中納米粒子的催化效應，是目前研究的一大熱門領域。

納米金剛石材料被認為是低成本光催化劑的熱門候選者，它們可以通過光激活，加速水和二氧化碳之間的某些反應，併產生碳中性的“太陽能燃料”。歐盟項目DIACAT現在已經用硼摻的納米金剛石材料，並在BESSY II中展示了它如何能夠顯著改善光催化性能。

摻雜後的金剛石泡沫。

圖片來源：P。Knittel / Fraunhofer IAF

全球氣候變化，尤其是溫室效應愈演愈烈，全球CO2排放量沒有顯著減少，情況依然是刻不容緩，因此我們需要更多的選擇來遏制這種發展趨勢。

有一種思路是講溫室氣體CO2返回到能量循環中：CO2可與水反應生成甲醇這種可良好地運輸和儲存的燃料。這種想法讓人聯想到光合作用的部分反應過程，需要能量和催化劑。如果我們成功地利用太陽光中的這種能量並開發出不是由鉑等稀有金屬製成，而是由廉價且大量可用的材料製成的光活性光催化劑，就有可能以氣候中性的方式生產“綠色”太陽能燃料。

金剛石納米材料需要紫外線才能激活

這種光催化劑的候選者是所謂的金剛石納米材料，這些不是珍貴的結晶鑽石，而是幾千個碳原子的微小納米晶體，它們可溶於水，看起來更像黑色漿料，或具有高表面積的納米結構“碳泡沫”區域。然而，為了使這些材料具有催化活性，它們需要UV光進行激發。只有這個光譜範圍的太陽光能夠足夠充分地將電子從材料傳輸到“自由狀態”。只有這時溶劑化的電子才能在水中發射並與溶解CO2反應生成甲醇。

摻雜能起作用嗎？

然而，太陽光譜中的UV分量不是很高。也可以使用可見光譜的光催化劑是理想的。這就是柏林亥姆霍茲材料與能源中心（HZB）科學家Tristan Petit及其在DIACAT的合作伙伴的工作所在：由烏普薩拉大學的Karin Larsson執行的這些材料的能級建模表明，通過摻雜外來原子可以將中間階段構建到帶隙中。硼，三價元素，顯得尤為重要。

Tristan Petit教授

BESSY II的實驗表明：是的，但......

因此Petit和他的團隊研究了多晶金剛石，金剛石泡沫和納米金剛石的樣品。這些樣品先前已在維爾茨堡的AnkeKrüger和弗賴堡的Christoph Nebel組合成。在BESSY II中，X射線吸收光譜用於精確測量未被佔據的能量狀態，其中電子可能被可見光激發。“存在於這些納米金剛石表面附近的硼原子實際上導致了帶隙中所需的中間階段，”該研究的第一作者，博士生Sneha Choudhury解釋道。這些中間階段通常非常接近價帶，因此不允許有效使用可見光。然而，測量結果表明，這也取決於納米材料的結構。