科教之窗

我校教师首次在国际顶刊《自然—可持续发展》发表论文

2022-10-18318编辑:董真摄影:王博

开上氢能源汽车,加氢3分钟就能跑800公里,还是零排放……随着制氢技术的发展和产业化应用,这一场景有望成为现实。在碳达峰碳中和背景下,氢能成为未来的重要能源,如何高效、低成本制氢,特别是光解水制“绿氢”是许多科学家研究的方向。

北京时间2022年10月18日4时,我校材料与化学学院化学系廉孜超特聘教授和京都大学化学研究所“通过等离子体能量上转换利用红外太阳能”(Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion)的研究成果发表于绿色可持续发展技术和环境科学领域国际顶级期刊《自然-可持续发展》(Nature Sustainability)。研究提供了一种利用未开发的太阳能红外光区诱导材料能量转化的新方案,在国际上填补了非贵金属实现高效的等离激元能量上转换效率这一领域的空白,意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。廉孜超为论文第一作者,上海理工大学为第一单位。该研究得到了国家自然科学基金(22109097)、上海市自然基金(20ZR1472000)和上海浦江人才计划(20PJ1411800)等项目的支持。

 

论文封面图


等离子体“爬坡” 在太阳光谱中“追光”

太阳光光谱中包含5%的紫外光、43%的可见光和52%的红外光,以往有关光催化的研究大多限制在紫外光和可见光范围内,而几乎占太阳能一半的红外光却被白白浪费了。是否可以开发出能够拓展太阳光谱响应范围的光催化剂,从而充分利用太阳光资源呢?

带着这样的疑问,廉孜超教授团队进行了深入研究,创造性地提出使用半金属-半导体性质的硫化铜(CuS)构建半导体异质结,形成良好的等离子体红外到可见能量上转换系统,从而大幅提升红外光利用率,也使氢能的规模化、平价化应用成为可能。

“当入射光子频率恰好与金属纳米颗粒或金属传导电子的整体振动频率相匹配,我们可以视为光子成功‘拨通电话’,并被振荡‘接通电话’后吸收,只有极少的光发生散射,此时光谱上出现一个较强的共振吸收峰,产生的表面等离激元电子和空穴会同时传递到临近的宽禁带半导体上面。”廉孜超将这一过程形象地称为“等离子体爬坡”,他解释说,这意味着光催化剂中的等离激元只要攀升到能发生局域表面等离子体共振的“坡”上,就能实现能量的增强和转化,将太阳能中的红外光能转换为可见光能,最终达到提高红外光利用率的目的。

特聘教授廉孜超

从“0.1%”到“5.1%” 让兴趣成为最好的“催化剂”

在利用红外光让“水变氢”的过程中,光催化材料是核心,材料的活性、稳定性和成本则是决定光催化技术能否实际应用的关键。“关于等离激元上转换,目前只有极少数的课题组报道过,主要集中在金银合金修饰的GaAs半导体,其能量转换效率在0.1-1%。而我们利用硫化铜成本更低,转换效率达到5.1%。”

整个研究历时5年之久,廉孜超辗转国内外,远赴丰田工业大学和日本立命馆大学做瞬态吸收光谱相关测试。测试过程中,他尝试多种可能的方法,发现了高效率的等离子体空穴的转移现象,对等离子体红外到可见能量上转换系统的构建有了初步构想。由于等离激元上转换这一领域涉足者鲜少,廉孜超团队选择的“拓荒之路”注定充满艰辛。一面面白板上的推理、无数组有效或无效的导出数据……终于在反复的实验中验证了他的想法。

催化剂在转换系统中扮演着重要角色,而廉孜超把兴趣称作科研过程中最好的“催化剂”。“很多人觉得科研是艰辛而枯燥的,但我觉得在研究过程中能够有所发现是非常有意思的事情,而取得阶段性成果时的内心喜悦也是无以言表的”,廉孜超感言道,“一份好的研究工作是经过不断的探索和挖掘,揭示出科学的本质。”正是凭借这样的钻研精神,廉孜超5年来始终钻研于此项研究中。功夫不负有心人,最终他们将红外光到可见光的等离激元能量上转换效率推至5%以上。 

红外光到可见光能量上转换机理图

面向国家需求 做科研领域“拓荒者”

“科研是一个认识自然、探索自然的过程,但最终还是要服务于国家和社会,所以我们在做研究时绝不能‘充耳不闻窗外事’,研究方向要面向世界科技前沿和国家重大需求。”这是廉孜超不曾动摇过的科研理念。

还在京都大学深造时,他就决心要回国发展,用自己的所学报效社会。2019年12月25日——这个日期廉孜超记得很清楚,这是他回国的日子。回来后他正式加盟上海理工大学,成为了材料与化学学院的特聘教授。

“任何成果的获得都不是轻而易举,我觉得最重要的还是努力和专注,加上创新的思维。在科研上攻坚克难首先需要团队智慧,然后保持专注:只有认定一个方向锲而不舍,才能摘到遥不可及的科学之‘星’。当然在研究过程中也离不开学校和学院给予的大力支持。”作为学校最年轻的“85后”青年教授之一,对于未来的科研旅程,廉孜超有着更多的展望:“我觉得学术研究要有自己的独特之处,选定了自己的研究领域就要坚持下去并不懈探索,希望在自己的领域再接再厉,做出一些创新性的成果,努力成为该领域的领航者和开拓者。”


文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41893-022-00975-9

 

供稿:新闻中心

文:李卉云