生物聚合物涂层纳米催化剂可以帮助实现氢燃料驱动的未来

为了应对气候变化，从化石燃料转向清洁和可持续的能源势在必行。在这方面，一个受欢迎的候选者是氢，这是一种环保燃料，使用时只产生水。然而，有效的制氢方法通常并不环保。用阳光分解水以产生氢气的环保替代方案效率低下，并且光催化剂(通过吸收光促进化学反应的材料)稳定性低。如何解决开发稳定高效的光催化剂的问题?

最近发表在《应用催化 B：环境》上的一项研究，由韩国仁川国立大学助理教授 Yeonho Kim 领导的国际科学家小组解决了这个问题，并报告了聚多巴胺 (PDA) 涂层硫化锌 (ZnS) 纳米棒作为光催化剂的性能，显示出与单独使用 ZnS 催化剂相比，氢气产量提高了 220%!此外，它表现出良好的稳定性，在受到 24 小时辐照后仍保留了近 79% 的活性。Kim 博士概述了他们研究背后的动机，“ZnS 具有各种光化学应用，因为它可以在阳光下快速产生电荷载流子。然而，阳光也会引起硫化​​物离子的氧化，从而导致 ZnS 的光腐蚀。最近，研究表明，光催化剂上受控厚度的 PDA 涂层可以提高太阳能的转换效率并增强光稳定性。但是，到目前为止，还没有研究涉及到 ZnS/PDA 界面的物理化学变化。因此，我们想研究 PDA 结合对 ZnS 光催化性能的影响。”

科学家们通过聚合制备了 PDA 包覆的 ZnS 纳米催化剂，将多巴胺包覆在 ZnS 纳米棒上，并改变了聚合周期以产生三种不同 PDA 厚度的样品——1.2 nm (ZnS/PDA1)、2.1 nm (ZnS/PDA2) 和3.5 纳米 (ZnS/PDA3)。然后，他们通过在模拟阳光照射下监测它们的氢气产生来测量这些样品的光催化性能。

ZnS/PDA1 催化剂的产氢率最高，其次是 ZnS/PDA2、未涂覆的 ZnS 和 ZnS/PDA3。该团队将 ZnS/PDA2 和 ZnS/PDA3 的较差性能归因于较厚的 PDA 涂层对光的吸收更多，这减少了到达 ZnS 的光并阻碍了受激电荷载流子到达表面;相反，未涂覆的 ZnS 会发生光腐蚀。

为了了解电子结构在观察到的增强中的作用，科学家们测量了样品的发射和消光光谱以及密度泛函理论计算。前者揭示了增强的吸收是由于在 ZnS 上形成 Zn-O 或 O-Zn-S 壳层，以及在价带附近(充满电子的最高原子能级)产生了可以接受“空穴”(不存在空穴)的能级。电子)，而计算表明 ZnS/PDA 具有独特的“双交错”电子结构，有利于电荷载流子在表面的传输和分离。改进的耐久性是由于降低了 PDA 价态空穴的氧化能力。

Kim 博士和他的团队希望他们的技术得到更广泛的应用。“我们工作中使用的聚多巴胺涂层也适用于其他基于硒化物、硼化物和碲化物的催化剂，”Kim 博士评论道。