【研究成果】利用量子自旋方法 提升太陽光催化二氧化碳還原反應

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 透過外加磁場,使錳摻雜之CsPbBr3奈米板的電子自旋極化增強,並提升光催化二氧化碳還原反應(CO2RR)產率。

人口爆炸性地成長、生活型態的改變,發展綠色能源迫在眉睫,其中利用太陽光催化的二氧化碳還原反應,趨緩全球暖化及再生能源兩大挑戰。國立臺灣大學分子科學技術國際學程暨材料系特聘教授陳俊維與國立臺灣師範大學化學系研究講座教授陳家俊所帶領的研究團隊,近期發現利用自旋極化(Spin-Polarized)電子可大幅提高還原產率,為綠色產業另闢新路!

再生能源與二氧化碳還原反應

近年來,利用太陽光直接驅動的二氧化碳還原反應逐漸受到重視,這種類似於自然界中光合作用的反應,其可將二氧化碳還原成附加價值高的碳氫化合物(例如甲烷),一方面可以減少現代工業持續製造的二氧化碳,另一方面亦可將還原產物作為太陽能燃料,以發展綠色能源。不過用太陽光直接驅動的還原效率遠遠不及實際應用所需,其中牽涉到光捕捉效率、二氧化碳吸附與產物脫附能力、光生載流子(photogenerated carriers)分離與傳輸效能,以及氧化還原反應本身的效率及產率。所以在材料科學研究中,急迫地想開發新的材料與技術來提升光催化二氧化碳還原反應產率。國立臺灣大學分子科學技術國際學程暨材料系特聘教授陳俊維與國立臺灣師範大學化學系研究講座教授陳家俊所帶領的研究團隊也投入了研發新型材料,並結合量子科技來大幅提升還原反應產率。

錳摻雜(Mn-Doped)的鹵化物鈣鈦礦(Halide Perovskite)半導體

鹵化物鈣鈦礦(halide perovskite)半導體是一種新興的光電材料,具備製備簡單、成本低、吸光(optical absorption)效率好、較長的載流子壽命(carrier lifetime)與眾多優異光電特性,使其很適合應用在太陽能電池(solar cells)與發光二極體(LED)。此外,在先前的研究中,鹵化物鈣鈦礦也可以做為光催化劑有效地將二氧化碳還原成一氧化碳(CO)與甲烷(CH4)。而為了更加提升二氧化碳還原表現,陳俊維教授與陳家俊教授團隊利用傳統的熱注射法(hot-injection method)將磁性元素錳(Manganese, Mn)摻雜入鈣鈦礦CsPbBr3奈米板中,經由太陽光激發後,得到自旋極化電子(spin-polarized electrons)來提升還原反應產率 (如圖2.)。

圖2. 透過摻雜磁性元素錳到鈣鈦礦CsPbBr3中來獲得自旋極化電子。

透過氣相層析質譜儀(GC-MS)分析產物CO及CH4,發現確實能有效提升二氧化碳光催化反應產率(如圖3.)。

圖3. 錳摻雜之CsPbBr3奈米板有較佳還原反應(CO與CH4)產率。

為了再進一步提升二氧化碳還原產率,研究團隊在系統中利用永久磁鐵作為外部磁場(300 mT),來增強錳摻雜CsPbBr3奈米板之電子自旋極化,在不需要額外電源下,達到更高的還原產率,並同時發現這種新型材料在外部磁場下依然保有著穩定的光催化產率與重現率(如圖4.)。

圖4. 錳摻雜之CsPbBr3奈米板展現穩定光催化產率且可重現於各循環中。

提升還原產率的機制

最後,讓我們回顧整個研究團隊的設計。首先,錳離子摻雜使鹵化物鈣鈦礦半導體的價帶(valence band, VB)與導帶(conduction band, CB)獲得自旋極化電子帶(spin-polarized bands)。接著施加外部磁場,根據塞曼效應(Zeeman effect),Mn-CsPbBr3的能帶出現分裂,增強了電子自旋極化,進一步抑制了載流子重組率,使更多的載流子能參與二氧化碳還原反應,進而有效提升光催化二氧化碳還原產率(如圖5.)。

圖5. 圖解錳參雜之CsPbBr3奈米板促進光催化反應機制。

 


參考文獻

[1] Cheng-Chieh Lin, Ting-Ran Liu, Sin-Rong Lin, Karunakara Moorthy Boopathi, Chun-Hao Chiang, Wen-Yen Tzeng, Wan-Hsiu Chang Chien, Hua-Shu Hsu, Chih-Wei Luo, Hui-Ying Tsai, Hsin-An Chen, Pai-Chia Kuo, Jessie Shiue, Jau-Wern Chiou, Way-Faung Pong, Chia-Chun Chen, and Chun-Wei Chen. Spin-Polarized Photocatalytic CO2 Reduction of Mn-Doped Perovskite Nanoplates. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 34, 15718-15726. DOI: 10.1021/jacs.2c06060

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