客观日本

大阪大学:过氧化氢可作为氢载体,用磷酸和阳光照射产生氢气

2020年07月30日 能源环境

大阪大学太阳能化学研究中心的白石康浩副教授和平井隆之教授等人组成的研究团队,开发出了可在阳光的照射下,利用磷酸(H3PO4)和无金属粉末催化剂,通过H2O2水溶液(双氧水)生成H2的光催化技术。

H2O2是作为漂白剂和消毒剂使用的重要化学物质,此外还可以用作燃料电池的发电燃料,因此近年来作为储藏和运输可再生能源的能源载体受到关注。以前,H2O2一直利用能源密集型方法(使H2和O2发生多级反应)合成。但最近还开发出了利用太阳能,通过水和氧气(O2)合成H2O2(H2O+1/2O2→H2O2)的高度节能式光催化剂型的H2O2制造法,这种合成方法使得把H2O2作为能源载体成为可能。

要想将H2O2作为能源载体,必须能将其用作氢载体。也就是说,如(图1)所示,需要有通过H2O2现场生成H2的反应技术(H2O2→H2+O2, ΔG○=+131kJ mol-1,公式1)。不过,H2O2的还原(H2O2+H++e-→H2O+●OH,H2O2+2H++2e-→H2O,公式4)会优先进行H+的还原。而且,光催化剂采用金属和金属氧化物半导体时,H2O2会在表面分解(H2O2→H2O+1/2O2, ΔG○=-117kJ mol-1,公式5)。因此,此前一直没有通过H2O2水溶液生成H2的案例。

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图1:利用此次的光催化技术通过H2O2生成H2的机制
磷酸通过与H2O2的氢键使H2O2变稳定,抑制激发电子引起的还原。

研究团队发现,将H3PO4和无金属粉末催化剂加入H2O2水溶液中并照射太阳光(可见光),可以生成H2(图2)。由于催化剂无金属,H2O2不会分解(公式5),而且H2O2和H3PO4还会通过氢键形成稳定的络合物(图1右),能抑制H2O2还原(公式4),并促进H+还原(公式3)。H3PO4长期以来一直被作为稳定剂添加到市售的H2O2水溶液中。因此,有望利用此次的技术实现新的能源循环,即储藏和运输含H3PO4的H2O2水溶液,利用廉价的无金属光催化剂现场制造H2。

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图2:伪阳光照射(λ>420nm)的照射时间与H2生成量和H2选择率的关系
H2随着光照射持续生成,H2选择率也基本保持恒定。

通过添加H3PO4和无金属光催化剂,可以实现此前一直被认为不可能实现的反应,这一点应该大大提高了将H2O2作为氢能源载体利用的可能性。另外,无金属光催化剂近年来备受关注,逐渐合成了很多材料。因此,利用此次的技术有望实现活性更高的H2制造流程。

论文信息
题目:Photocatalytic hydrogen peroxide splitting on metal-free powders assisted by phosphoric acid as a stabilizer
期刊:Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-020-17216-2

日语发布原文

文:JST客观日本编辑部

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