最近,中国科学院上海硅酸盐研究所与北京大学化学学院开展了合作研究,黄富强、汪宙、杨重寅、林天全等科研人员原创地发展出多种新型制备方法(氢等离子法、铝还原法、二步非金属掺杂法),大幅提高了太阳光谱中可见光和近红外光的吸收,效果明显。这些最新发现的黑色二氧化钛纳米晶,不同于高温氢气还原的黑色氧化钛,为一种核壳结构,核区仍为结晶的二氧化钛,外壳为无定型的结构,其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域,无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂(X=H、N、S、I)。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%,远优于文献报道(30%)。
良好的太阳能宽谱吸收、化学物理稳定性,以及改善的载流子浓度和电子迁移性能,可以满足高效太阳能的要求。其中,氮掺杂的纳米黑色二氧化钛,太阳光催化分解水,产氢率达到15 mmol h-1 g-1,处于报道最优异的可见光催化剂之列;对有机污染物的降解速率是商用纳米二氧化钛(P25)的四倍。黑色二氧化钛纳米管阵列用作光化学电池(PEC)电极,光能向氢化学能转换效率达到1.67%,为二氧化钛基PEC转换效率的最优值。
研究成果被Chemistry Views以Titania: Black is the New White 为题做了新闻专题报道,被认为在新能源(太阳能发电、光催化制氢)和环境(污染物降解、抗菌消毒)领域的应用前景广阔。国际公司与大学已经购买小批量样品,用于环境保护应用。部分研究结果发表在J. Am. Chem. Soc. (2013), Adv. Funct. Mater. (2013),Energy Environ. Sci. (2013, 2014), Chem. Euro. J. (2013)等期刊,已申请发明专利3项。