材料到了納米級(jí)別，其表面積會(huì)成倍增加，表面能高、表面原子所占比例也會(huì)顯著提高，具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性，也就是所謂的納米效應(yīng)。其中納米粒子的催化效應(yīng)，是目前研究的一大熱門領(lǐng)域。

       納米金剛石材料被認(rèn)為是低成本光催化劑的熱門候選者，它們可以通過光激活，加速水和二氧化碳之間的某些反應(yīng)，并產(chǎn)生碳中性的“太陽能燃料”。歐盟項(xiàng)目DIACAT現(xiàn)在已經(jīng)用硼摻的納米金剛石材料，并在BESSY II中展示了它如何能夠顯著改善光催化性能。

摻雜后的金剛石泡沫。

圖片來源：P。Knittel / Fraunhofer IAF

       全球氣候變化，尤其是溫室效應(yīng)愈演愈烈，全球CO2排放量沒有顯著減少，情況依然是刻不容緩，因此我們需要更多的選擇來遏制這種發(fā)展趨勢(shì)。

       有一種思路是講溫室氣體CO2返回到能量循環(huán)中：CO2可與水反應(yīng)生成甲醇這種可良好地運(yùn)輸和儲(chǔ)存的燃料。這種想法讓人聯(lián)想到光合作用的部分反應(yīng)過程，需要能量和催化劑。如果我們成功地利用太陽光中的這種能量并開發(fā)出不是由鉑等稀有金屬制成，而是由廉價(jià)且大量可用的材料制成的光活性光催化劑，就有可能以氣候中性的方式生產(chǎn)“綠色”太陽能燃料。

       金剛石納米材料需要紫外線才能激活

       這種光催化劑的候選者是所謂的金剛石納米材料，這些不是珍貴的結(jié)晶鉆石，而是幾千個(gè)碳原子的微小納米晶體，它們可溶于水，看起來更像黑色漿料，或具有高表面積的納米結(jié)構(gòu)“碳泡沫”區(qū)域。然而，為了使這些材料具有催化活性，它們需要UV光進(jìn)行激發(fā)。只有這個(gè)光譜范圍的太陽光能夠足夠充分地將電子從材料傳輸?shù)健白杂蔂顟B(tài)”。只有這時(shí)溶劑化的電子才能在水中發(fā)射并與溶解CO2反應(yīng)生成甲醇。

       摻雜能起作用嗎？

       然而，太陽光譜中的UV分量不是很高。也可以使用可見光譜的光催化劑是理想的。這就是柏林亥姆霍茲材料與能源中心（HZB）科學(xué)家Tristan Petit及其在DIACAT的合作伙伴的工作所在：由烏普薩拉大學(xué)的Karin Larsson執(zhí)行的這些材料的能級(jí)建模表明，通過摻雜外來原子可以將中間階段構(gòu)建到帶隙中。硼，三價(jià)元素，顯得尤為重要。

Tristan Petit教授

       BESSY II的實(shí)驗(yàn)表明：是的，但......

       因此Petit和他的團(tuán)隊(duì)研究了多晶金剛石，金剛石泡沫和納米金剛石的樣品。這些樣品先前已在維爾茨堡的AnkeKrüger和弗賴堡的Christoph Nebel組合成。在BESSY II中，X射線吸收光譜用于精確測(cè)量未被占據(jù)的能量狀態(tài)，其中電子可能被可見光激發(fā)。“存在于這些納米金剛石表面附近的硼原子實(shí)際上導(dǎo)致了帶隙中所需的中間階段，”該研究的第一作者，博士生Sneha Choudhury解釋道。這些中間階段通常非常接近價(jià)帶，因此不允許有效使用可見光。然而，測(cè)量結(jié)果表明，這也取決于納米材料的結(jié)構(gòu)。

BESSY II實(shí)驗(yàn)室

       展望：摻雜P或N的形態(tài)

       Tristan Petit說：“我們可以通過具體改變金剛石晶體的形態(tài)和摻雜，在金剛石帶隙中引入并可能控制這些額外的步驟摻雜磷或氮也可以提供新的機(jī)會(huì)。”

       上述內(nèi)容來自編譯整理，僅供參考。

       原文鏈接：

       http://helmholtzberlin.de/pubbin/news_seitenid=14956&sprache=en&typoid=1

Carbontech 2018

       金剛石等超硬材料作為Carbontech 2018活動(dòng)中重要的一類材料，將重點(diǎn)聚焦在合成工藝、高端工具、超精密加工、功能器件、生物醫(yī)用等前沿技術(shù)和應(yīng)用。

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