欧盟研究人员发现掺杂的纳米金刚石可更有效地作为光催化剂

纳米金刚石材料被认为是低成本光催化剂中的最佳适用材料。其可以被光激活，并能加速水和二氧化碳之间的某些反应，产生碳中和的太阳能燃料。欧盟DIACAT项目就在这种金刚石材料中掺杂了硼，并利用BESSY II上展示了其是如何显著提高光催化性能的。

图为掺杂的金刚石泡沫

全球气候变化愈来愈严峻，如果我们不能大幅减少二氧化碳这类温室气体的排放，这种变化将继续有增无减。为此，我们需要有所行动。其一就是让温室气体二氧化碳返回到能量循环，将二氧化碳与水加工成甲醇，这种燃料便于运输和储存。然而，该反应过程需要能量和催化剂。如果我们能成功地利用太阳光中的能量，并且开发出不依靠铂等稀有金属制成，价格廉价且自然界大量存在的活性光催化剂，那么“绿色”’太阳能燃料将有机会大展身手。

利用紫外线激活金刚石纳米材料的活性

这种光催化剂就是所谓的纳米金刚石材料，它并不是珍贵的水晶钻石，而是由几千个碳原子组成的纳米晶体，它们溶于水，看起来更像黑色浆料，是具有高表面积的纳米结构“碳泡沫”。然而，这些材料只有经紫外光激发后才具有催化活性。只有这一光谱范围内的光才拥有丰富的能量，能将电子从材料传输到“自由状态”。这样，溶剂化的电子才能在水中释放出来，与溶解的电子发生反应生成甲醇。

掺杂会有用吗？

然而，太阳光中仅有4%的成分属于紫外光UV。因此，使用可见光波段激发光催化剂显得更切实有效。这也是HZB科学家Tristan Petit和他在DIACAT的合作伙伴的研究成果。Uppsala（瑞典乌普萨拉大学）大学的Karin Larsson对这些材料的能级进行了建模，结果表明，通过掺杂硼（一种三价态元素，在掺杂中占有重要作用），中间阶段便可以构建到带隙中。

BESSY II的实验表明是肯定的，但......

Petit和他的团队调查了多晶金刚石、金刚石泡沫和纳米金刚石的样品。这些样品是先前维尔茨堡的Anke Kruger和弗莱堡的Christoph Nebel两团队合成的。在BESSY II中x射线吸收光谱被用来精确测量电子被可见光激发的未占据的能态。该研究的第一作者、博士生Sneha Choudhury解释道，这些纳米钻石表面附近的硼原子实际上导致了带隙的中间阶段。这些中间阶段通常非常接近价带，因此不能有效利用可见光。但是，测量结果表明这取决于纳米材料的结构。

展望：形态学和掺杂P或N