气凝胶是一种非凡的材料，曾十多次创下吉尼斯世界纪录，其中包括世界上最轻的固体。


苏黎世联邦理工学院多功能材料实验室的 Markus Niederberger 教授研究这些特殊材料已有一段时间了。他的实验室专门研究由结晶半导体纳米粒子组成的气凝胶。“我们是世界上唯一能够生产出如此高质量的气凝胶的集团，”他说。


基于纳米颗粒的气凝胶的一种用途是用作光催化剂。每当需要借助阳光来启用或加速化学反应时，就会使用这些方法——一个例子是氢气的生产。


光催化剂的首选材料是二氧化钛 (TiO 2 )，一种半导体。但 TiO 2有一个主要缺点：它只能吸收太阳光的紫外线部分——仅吸收大约 5% 的光谱。如果光催化要高效且在工业上有用，则催化剂必须能够利用更广泛的波长。


用氮掺杂拓宽光谱


这就是为什么 Niederberger 的博士生 Junggou Kwon 一直在寻找一种新方法来优化由 TiO 2纳米粒子制成的气凝胶。她有一个绝妙的主意：如果 TiO 2纳米粒子气凝胶用氮“掺杂”（使用技术术语），这样材料中的单个氧原子被氮原子取代，气凝胶就可以吸收更多可见的部分频谱。掺杂过程使气凝胶的多孔结构完好无损。关于这种方法的研究最近发表在《应用材料与界面》杂志上。


Kwon 首先使用 TiO 2纳米颗粒和少量贵金属钯生产气凝胶，钯在光催化制氢中起关键作用。然后，她将气凝胶放入反应器中并注入氨气。这导致单个氮原子嵌入到TiO 2纳米颗粒的晶体结构中。


改性气凝胶使反应更高效


为了测试以这种方式改性的气凝胶是否真的提高了所需化学反应的效率——在这种情况下，由甲醇和水生产氢气——Kwon 开发了一个特殊的反应器，她直接将气凝胶整体放入其中。然后，她将水和甲醇的蒸汽引入反应器中的气凝胶，然后用两个 LED 灯照射它。气态混合物通过气凝胶的孔隙扩散，在那里它在 TiO 2和钯纳米粒子的表面上转化为所需的氢。


Kwon 在五天后停止了实验，但到那时为止，反应稳定并在测试系统中继续进行。“这个过程可能会稳定更长时间，”Niederberger 说。“特别是在工业应用方面，尽可能长时间地保持稳定是很重要的。” 研究人员也对反应的结果感到满意。添加贵金属钯显着提高了转化效率：使用含钯的气凝胶产生的氢气比不含钯的气凝胶多 70 倍。


增加气体流量


该实验主要为研究人员提供可行性研究。作为一类新型光催化剂，气凝胶具有出色的三维结构，除了制氢外，还为许多其他有趣的气相反应提供了潜力。与当今常用的电解相比，光催化剂的优势在于它们可以仅使用光而不是电来生产氢气。