科學(xué)家成功開發(fā)晶體-非晶體復(fù)合材料，并將其用于制備多孔雜化玻璃，浸泡數(shù)月仍保持極高光轉(zhuǎn)化
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-03-20 14:32:48
|
近日，澳大利亞昆士蘭大學(xué)侯經(jīng)緯教授和團(tuán)隊(duì)將半導(dǎo)體材料與雜化玻璃基體結(jié)合，成功制備一種晶體非晶體復(fù)合材料，并探索了其在催化反應(yīng)中的應(yīng)用。
圖 | 侯經(jīng)緯（來(lái)源：侯經(jīng)緯）
其所提出的這一通用策略，不僅能將半導(dǎo)體鈣鈦礦材料的高吸光度和可調(diào)控的帶寬等獨(dú)特物理特性與實(shí)際催化過(guò)程相結(jié)合，還顯著提升了復(fù)合材料的穩(wěn)定性、加工性和催化效率。
研究中他們發(fā)現(xiàn)，玻璃基體為鈣鈦礦提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境，能夠有效增強(qiáng)電子和能量的傳輸效果，從而提升催化效率。
更為重要的是，本次研究表明這種復(fù)合材料在高溫條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。這是因?yàn)椴ＡЩw在高溫下具有類似溶劑的效果，可以促進(jìn)其他材料在復(fù)合體系內(nèi)的溶解和分散。
這一過(guò)程與傳統(tǒng)的溶解過(guò)程相似，但卻發(fā)生在 300℃ 至 500℃ 的高溫環(huán)境下，因此可以極大提高電子和空穴在復(fù)合材料界面處的傳輸效率。
總的來(lái)說(shuō)，本研究成功開發(fā)了鈣鈦礦玻璃復(fù)合催化材料。同時(shí)，還揭示了如下理論：在催化反應(yīng)中，微觀結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計(jì)的優(yōu)化，能夠顯著提升材料的催化性能和穩(wěn)定性。
這一發(fā)現(xiàn)為新型催化材料的設(shè)計(jì)和多領(lǐng)域應(yīng)用（如光催化、能源轉(zhuǎn)化等）提供了重要的理論支持。
基于多孔雜化玻璃材料的獨(dú)特性能，該研究成果具有廣泛的潛在應(yīng)用前景：
在可再生能源領(lǐng)域，它能被用于開發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電的玻璃幕墻，這種幕墻不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑表面的高效光電轉(zhuǎn)換，還可以通過(guò)光催化反應(yīng)提供清潔能源，例如將水蒸氣分解成氫氣和氧氣，從而推動(dòng)綠色建筑的發(fā)展。
在工業(yè)催化領(lǐng)域，催化玻璃材料可以作為催化反應(yīng)裝置的核心組件，其優(yōu)異的穩(wěn)定性和催化活性能夠提升化學(xué)反應(yīng)的效率，同時(shí)耐高溫、耐腐蝕的特性也延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。
在環(huán)境治理領(lǐng)域，催化玻璃材料可被用于難降解廢棄物的高效降解上，例如通過(guò)光催化技術(shù)處理有機(jī)污染物、塑料廢棄物和重金屬，為環(huán)境修復(fù)提供綠色經(jīng)濟(jì)的解決方案。
在分離技術(shù)領(lǐng)域，多孔玻璃材料憑借其可調(diào)控的孔道結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，可被用于氣體分離（如二氧化碳捕獲）、液體分離（如海水淡化）以及化工產(chǎn)品提純等場(chǎng)景，從而顯著提高分離效率并能降低能耗。
在水處理和氣體分離領(lǐng)域，多孔玻璃材料作為一種新型分離膜材料，表現(xiàn)出高選擇性和高通過(guò)性，故能為可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)新的可能性。
總的來(lái)說(shuō)，這些潛在應(yīng)用涵蓋能源、環(huán)保、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，隨著材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化和技術(shù)的成熟，這一成果有望轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。
300℃ 至 500℃ 高溫下的獨(dú)特反應(yīng)
2019 年，當(dāng)侯經(jīng)緯在昆士蘭大學(xué)成立課題組之后，其將研究重點(diǎn)聚焦在晶體-非晶體復(fù)合玻璃材料上。這個(gè)領(lǐng)域吸引他和團(tuán)隊(duì)的原因有很多，但最核心的一點(diǎn)是它能幫助他們深入探索非晶體材料微觀結(jié)構(gòu)的秘密，特別是探索晶體和非晶體之間的過(guò)渡過(guò)程。
對(duì)于材料科學(xué)來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題既復(fù)雜又有趣，基于此開展研究能夠?yàn)槔斫膺@些結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律提供新視角。
非晶體材料有著廣泛的應(yīng)用，但是目前依然是一個(gè)研究難點(diǎn)，這是因?yàn)槿藗兇饲斑€沒(méi)有完全準(zhǔn)確地建立性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
但是，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的復(fù)合體系可以為這一難題提供新穎的研究角度和潛在的解決方案。
更重要的是，這種復(fù)合材料有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用潛力。通過(guò)精確調(diào)控復(fù)合體系的組成和結(jié)構(gòu)，能為光學(xué)、催化、分離以及傳感等多個(gè)領(lǐng)域提供新的材料解決方案。
課題組意識(shí)到，這些應(yīng)用方向不僅僅是他們?cè)趯W(xué)術(shù)上的興趣點(diǎn)，更是解決一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的關(guān)鍵。例如，在光學(xué)領(lǐng)域，復(fù)合玻璃材料有可能實(shí)現(xiàn)更高效的光傳輸和轉(zhuǎn)化；在催化和分離領(lǐng)域，復(fù)合玻璃材料能夠通過(guò)優(yōu)化孔道結(jié)構(gòu)來(lái)提高性能。
同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)的研究思路也比較特別。他們將晶體-非晶體復(fù)合玻璃體系視為一種特殊的“多孔聚合物”。從這個(gè)角度來(lái)看，這種材料的孔道結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)都可以通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)精確優(yōu)化。正是這種“可設(shè)計(jì)性”讓他們對(duì)本次研究方向充滿信心。
總的來(lái)說(shuō)，本次研究有兩個(gè)目標(biāo)：一是加深對(duì)于材料微觀結(jié)構(gòu)和性能之間關(guān)系的理解，二是通過(guò)這種理解開發(fā)出更高效、更可持續(xù)的實(shí)用材料體系。
隨著研究的深入他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，玻璃材料在高溫融融過(guò)程中，能起到類似高溫溶劑的作用，使得其他材料可以在玻璃基底中部分溶解。這一過(guò)程與傳統(tǒng)的溶質(zhì)溶解在溶液中的過(guò)程非常相似，但卻發(fā)生在 300℃ 到 500℃ 的高溫環(huán)境下。
這個(gè)高溫過(guò)程為他們實(shí)現(xiàn)界面的電子傳輸提供了理想途徑，能夠允許被激發(fā)出的電子和空穴跨越復(fù)合材料的界面，在玻璃基體內(nèi)發(fā)生高效的催化反應(yīng)。這一突破性發(fā)現(xiàn)成為他們最終工作的核心，使得他們能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光催化過(guò)程。
材料浸泡數(shù)月之久，竟能保持極高光轉(zhuǎn)化
研究中，有一件事至今讓侯經(jīng)緯記憶猶新，甚至可以說(shuō)它在某種程度上改變了他們對(duì)于鈣鈦礦復(fù)合材料的理解。
那是在 2020 年，實(shí)驗(yàn)室由于疫情原因被迫關(guān)閉，有一段時(shí)間課題組無(wú)法進(jìn)行任何實(shí)驗(yàn)。在那段時(shí)間里，他們的研究幾乎停滯不前，但正是這段無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的日子，給了他們一個(gè)意想不到的機(jī)會(huì)。
隨著實(shí)驗(yàn)室逐漸恢復(fù)運(yùn)行，他們重新開始針對(duì)鈣鈦礦復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果讓他們大吃一驚：這些材料在水溶液中浸泡了幾個(gè)月后，竟然仍能保持非常高的光轉(zhuǎn)化。
這讓他們意識(shí)到，本次復(fù)合材料的穩(wěn)定性遠(yuǎn)超之前的預(yù)期，即遠(yuǎn)比他們最初設(shè)想的要持久和可靠。如果沒(méi)有那段時(shí)間的停頓，可能他們也不會(huì)如此深刻地認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。
要知道，這種材料的高穩(wěn)定性為它在多個(gè)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域提供了巨大潛力，比如能夠?qū)崿F(xiàn)在環(huán)境治理和能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域的應(yīng)用。
從這次經(jīng)歷中，他們不僅看到了科學(xué)研究中的偶然性，也深刻體會(huì)到有時(shí)科研也會(huì)“因禍得福”，正是偶然的停頓為他們帶來(lái)了意外的發(fā)現(xiàn)。
這讓侯經(jīng)緯更加相信，在科學(xué)的道路上，不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎己统掷m(xù)的努力，也需要在某些時(shí)刻留意那些看似微不足道的細(xì)節(jié)，這可能會(huì)帶來(lái)意想不到的突破。
最終，相關(guān)論文以《人工光合作用下，將 MOF 玻璃與鹵化鉛蛋白相結(jié)合》（Intermarrying MOF Glass and Lead Halide Perovskites for Artificial Photosynthesis）為題發(fā)在 JACS[1]，Wengang Huang 是第一作者，侯經(jīng)緯擔(dān)任通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：JACS）
未來(lái)，他們計(jì)劃探索將傳統(tǒng)無(wú)機(jī)光催化材料與玻璃基底相結(jié)合的潛力。預(yù)計(jì)通過(guò)這種復(fù)合策略，不僅可以顯著提升無(wú)機(jī)粉末材料的加工和成型性能，還能通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控界面的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的催化效率和穩(wěn)定性。
|
相關(guān)新聞
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號(hào)