近年来，用太阳能分解水产生绿色的氢气引起了人们的极大兴趣，因为氢气是一种能量密度高的燃料。最近，由香港城市大学(CityU)和德国学者共同领导的一个研究小组在三维有序大孔结构的光催化剂中发现了量子限制效应。他们发现量子限制效应能够在可见光下产生氢气。这些发现为解决能源和环境挑战提供了一种选择。

这项研究由香港城市大学能源与环境学院副教授Ng Yun Hau博士和德国研究人员共同领导。他们的这一研究结果发表在科学期刊《ACS Energy Letters》上，论文题为“揭示用于增强太阳能水分解的周期性多孔BiVO4光催化剂中的载流子动力学”。

光催化研究专家Ng博士指出，太阳能分解水的典型光催化剂只能吸收太阳光谱中的紫外线，它约占太阳光能量的4%。相比之下，钒酸铋(BiVO4)是一种对紫外线和可见光均敏感的金属氧化物光催化剂，可以吸收高达30%的太阳光谱能量。

具有三维有序大孔(3DOM)结构的BiVO4由于其卓越的性能而受到了相当多的关注。这种结构改进的光催化活性通常归因于更大的表面积、高光吸收和抑制电荷复合。

然而，没有系统研究将高度有序的多孔纳米结构的电荷传输对光活性的影响联系起来。Ng博士和他的团队接受了这一挑战，并研究了三维有序大孔结构和板状BiVO4样品的不同载流子动力学，以及它们的光催化效率。

他们发现，在可见光下的水分解过程中，3DOM BiVO4光催化剂产生的氧气量几乎是板状BiVO4所产生的两倍。此外，3DOM BiVO4光催化剂表现出板状形式要更高的阳极光电流密度。因此，3DOM BiVO4具有更高的光催化效率。Ng博士说：“令我们惊讶的是，BiVO4最初是一种产氧光催化剂，当它处于三维有序大孔结构时，在可见光下的水分解过程中也会产生氢气。这在以前从未报道过。”

三维有序大孔结构中的BiVO4如何产生氢呢？论文的第一作者、Ng博士实验室的能源流负责人Wu Hao博士分享了这项研究的一个亮点。他说：“我们发现3DOM BiVO4的超薄晶壁产生的量子限制提高了其导带。它可以在可见光照射下光催化质子还原为氢，从而使水分解产生氢。”量子限制是指当材料的尺寸减小到纳米级时，产生的电子和光学特性(例如能级和带隙）的变化。

Ng博士解释说：“BiVO4一般不能产生氢，因为它位于导带的位置。现在由于量子限制效应提高了其导带，使它可以产生氢。这也是第一次在3DOM BiVO4中发现量子限制效应。”

研究小组还发现，即使不使用助催化剂，3DOM BiVO4仍然可以在可见光照射下从溶液中产生氢气，而板状BiVO4的氢气产生量可以忽略不计。助催化剂是促进催化剂功能的物质。它可以为光生电荷提供聚集位点并促进电荷分离。

该团队还应用了包括时间分辨微波电导率在内的先进技术来研究3DOM和板状结构的BiVO4光催化剂。他们发现，与板状结构相比，3DOM BiVO4具有约6倍的电荷迁移率、约18倍的电荷载流子寿命和约9倍的有效扩散长度，从而提高了光催化效率。

Ng博士和他团队的下一个目标是分解废水并探索扩大光催化系统的方法。他说：“太阳能水分解产生的氢气是一个绿色过程，没有任何碳排放。氢气可用于工业用途和为燃料电池提供动力。我们预计这项技术在未来会有更广泛的应用，因为人们对从绿色资源中生产氢气的需求很高。”（编译:Qtech）