氫作爲清潔能源有着很大的潛在吸引力，因此，利用太陽能將水分解成氫氣和氧氣的光觸媒 1*引起了學術界的極大關注。然而，光觸媒候選材料的最適化通常需要相當長的時間投入。現在，大阪大學的研究團隊已經證明了某些易測變量和觸媒性能之間存在某種聯繫，這可以用於觸媒性能的快速評估。
利用光觸媒實施從太陽能向化學能的轉化已被廣泛報導，然而，光催化材料的持續最適化對其成功應用至關重要。光觸媒的性質，包括其表面積，結晶度以及各種電子特性，極大地影響着光觸媒的活性。這些性質可能會受制備技術以及某些製備條件的影響，從而導致材料好壞不一，所以有必要對其進行評估。
設置實驗裝置來測試每種合成材料的性能是開發程序中非常耗時的一個步驟，所以很有必要縮短這一步的所需時間，但是目前並沒有什麼高效的辦法。在ACS Energy Letters發表的報告中，大阪研究團隊展示了即時分辨微波傳導率（ time-resolved microwave conductivity，TRMC）測量與半導體材料光催化性能之間的關係。 TRMC這種方法簡單高效，可以對粉末形式的光觸媒進行快速評估，從而顯著提高檢測速度。
圖1. 左：影響光催化性能的諸多因素。右：光催化反應示意圖
「我們已經能夠證明，光觸媒活性的判斷標準——氧氣釋放速率，可以透過由TRMC測量的光電導及其半衰期來測定。」 該研究的首要作者鈴木克明解釋說，「將這種關聯應用於候選材料，可以更加高效地評估其潛在應用性能。」
研究人員用他們的研究結果測定了一種尚未得到廣泛研究的材料—— PbBiO2Cl的最宜加工溫度，併成功將該化合物的一種類似物的表觀量子效率提升到3%，這比以前報導中經過高溫加工處理的相同材料高兩倍。
「希望我們研究結果的原理可以廣泛應用到材料篩選效率提高、候選材料搜尋，以及材料合成條件的選擇上，」 該研究的通訊作者佐伯昭紀解釋說。 「我們這項研究成果更遠大的圖景在於，提出的高吞吐量處理方法可以加速清潔能源解決方案的研發速度。」
圖2. 兩種滷氧化物光觸媒的晶體結構
圖3. 滷氧化物光觸媒2的微波光導強度及其壽命的乘積與煅燒溫度的依賴關係。 微波光導強度測量結果表明，該材料的最宜加工溫度爲600℃，比報導的溫度低100℃。 （b）透過不同煅燒溫度製備的滷氧化物光觸媒2的氧氣析出速率。
1* 光觸媒：化學中，光觸媒、光觸媒（photocatalyst）指的是能夠加速光化學反應的觸媒，這種現象被稱爲光催化（photocatalysis）。
原理：光量子具有一定能量，當照射到某些物質上（如半導體），原子中的電子吸收一定的能量後，便會從價帶（valence band）躍遷到傳導帶（conduction band），而原本電子存在的地方就會出現一個帶正電的電洞 —— 也即光生電子和光生電洞。由於這種電子和電洞分別具有較強的還原性和氧化性，因此能使半導體表面上的物質發生氧化還原反應，從而將發光能量轉換爲化學能進行儲存。這些物質被稱爲光觸媒。
供稿 鍾維
編輯修改 JST客觀日本編輯部
引用文獻：
「Photoconductivity−Lifetime Product Correlates Well with the Photocatalytic Activity of Oxyhalides Bi4TaO8Cl and PbBiO2Cl: An Approach to Boost Their O2 Evolution Rates」
ACS Energy Letters: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00793
