分解水

通过在水中的振动压电微纤维来直接分解水

摘要：我们提出一个机制，一种压电电化学作用可将机械能直接转换为化学能。这种现象进一步应用于利用作为合成的压电的氧化锌微纤维和钛酸钡微树突通过直接分解产生氢气和氧气。纤维和树突随超声波振动导致应变诱导其表面电荷的发展。拥有足够的电位来拉紧在水中的纤维（和树突）引起水的氧化还原反应，来产生氢气和氧气。在超声振动下的氧化锌纤维表现出化学计量比为H2/O2（2:1）的从纯净水中产生的初始气体。这项研究提供了能通过清除如环境中的噪音和流浪振动等的能源浪费来产生氢气燃料的直接分解水一种简单的和经济有效的技术。这新发现可能存在解决挑战性能源和我们今天和未来面临的环境问题的潜在影响。

关键词：能量转换与储存

（注：“树突”改“晶体”，部分“潜力”改“电势”，“控制实验”改为“对照实验”，“收费”改“电位”）蓝色代表没有整理过的

氢能的利用有许多吸引人的功能，包括可再生能源，灵活性，和零温室气体排放量。近年来，在照射下利用氧化物半导体催化分解水已收到高度重视.不过，可用光催化剂的数目目前是有限的，他们的表现受到其效力，效率和使用寿命的阻碍。对于直接分解水产生更大的能源效率的新机制的需求迅速增加。在这项研究中，我们报告一个现象的发现——机械能直接转换化学能源——称为压电电化学（PZEC）效应。水的分解机理通过PZEC效应依赖于该材料的压电性能。虽然压电效应被知道超过了100年，并在许多领域演示过，已做了一些工作，以解决其在潮湿的条件下应用（如在溶液中），特别是在机械能直接转换为化学能。

我们在这里报告我们对钛酸钡（BaTiO3）和氧化锌（ZnO）的研究结果。四方相钛酸钡和六角纤锌矿结构的氧化锌显示独特的铁电和压电性能.在传感器和执行器设备上该晶体普遍被使用。.最近氧化锌纳米线阵列的研究表明可采用振荡力将机械能直接转换为电能.然而，少数的研究已经证明可在水溶液条件将机械能直接转换成化学能。在这项研究中，我们利用氧化锌和树突钛酸钡超细纤维发起一个现象和一个非自发氧化还原反应，利用机械能形成水气中H2和O2。在这里，我们展示了用环境中清除浪费能源的材料的能力，如噪音和振动，来生成氢气和氧气

水热合成钛酸钡的树突扫描电镜图像显示在图1a。钛酸钡与钙钛矿结构在200 C在高压灭菌器合成（详见实验方法）。钛酸钡晶体展示为均匀的树突状形态。该钛酸钡晶的主要分支是典型的〜10微米长，沿[001]生产，而和主棒相比，次要分行沿着不同的方向发展。长几微米并具有同样的宽度和高度的二级分行作为主要分支。图1b是一个钛酸钡晶合成的传输电镜（透射电子显微镜）图像。该分段电子衍射表明，所有树突分支都具有相同的晶体取向。每树突是一种钛酸钡单晶。高分辨率透射电镜（HRTEM）图像（图1c）显示（001）和（110）格条纹。同样，图1d显示了作为合成的氧化锌纤维的扫描电镜图像。从数字来看，很明显，氧化锌产品主要由直线，光滑和结晶超细纤维组成。TEM照片获得了生长在硅晶片上的氧化锌纤维，见图1e。所有纤维展出厚度和长度。该纤维是直径为〜0.4微米，长度范围为4微米到大于10微米。在晶粒内部或在晶粒边界没有获得次要阶段。每个单独的氧化锌纤维是一种沿[001]方向发展的单晶（见插图电子衍射图案）。

直接分解水的性能得到进一步调查，显示了氧化锌纤维的功能和为清除来自城市环境的振动浪费能源的钛酸钡树突来从纯净水中生成氢气和氧气。为了第一项措施氢气生产，使用

超声波振动布兰森5510 -吨，超声波清洗机是应用在高硼硅玻璃管的离子水5.0mL，以决定作为合成的氧化锌对矽（100）1 1晶圆准备压电纤维电化学作用的结果平方厘米。氢气生产的结果显示在图2a。还进行了系统中有清洁硅晶片（1*1cm2）无氧化锌纤维的对照实验。在第一阶段的时候，外围采用振动（0-40分钟），快速制氢获得了3.4 *10-3ppm / s的初速度。然后该细胞的反应在第40分钟疏散，允许新的运行在第41分钟开始。在第41分钟开始时超声波振动被关闭，氢气生产再一次被测量。结果发现，超声波振动关闭时，氢气生成停止，导致生产氢气可以忽略不计（<0.0001 ppm/s）。这是类似于对照实验（0-40分钟）。不加超声振动的实验室或者控制实验室的该气体浓度低的可能原因是由于房间空气的污染。

氧气的氧化锌纤维生产性能通过电化学压电效应进行了研究。用时间函数来测量液体的氧气浓度，图2b所示。通过对在系统中的超声波进行开与关来表现该氧化锌纤维对外部的振动的反应。为了符合氢的生产测试，当超声波应用于氧化锌纤维时，氧气浓度以1.7*10^-3ppm/s的初始速度迅速增长。在第41分至80分之间氧气生产停止，相当于当超声波被关闭。在去离子水与氧化锌纤维应用超声波振动演变氢气和氧气气体与化学计量的H2/O2 = 2:1等价。如与以前的实验中，没有氧气产量观察对照实验的硅晶片。

压电电化学效应的验证也可以将超声波振动应用于在纯净水中的合成钛酸钡晶体来产生氢气来表明。图2c显示了来自作为合成的钛酸钡晶体的H2的演变（晶体质量= 7.5 *10-3克），在第一振动事件，氢气的平均演化率约为1.25*10-2ppm/ s（0-50分钟，图2c）。当超声波振动被关闭时气体生成停止（51-100分钟，图2c）。这表明，水的还原反应是被外部机械能源诱导的，而不是由其他形式能量诱导的。没有外部压力钛酸钡不会与水反应生成氢气和氧气。疏散反应体系，并再次开始超声波后，得到类似的平均产氢率。有近9.13 *10-3 ppm/ s的速率在第二振动阶段获得（101-150分钟，图2c）。利用水中的氧化锌纤维和钛酸钡晶体来生产氢气和氧气的试验的结果成功地展示了通过超声波振动来将机械能直接转换为化学能。这种能源生产克服了标准氧化还原电位水生成氢气和氧气。

物理和化学的从纯净水中产生氢气和氧气来自氧化锌纤维和钛酸钡晶体的压电性能的混合和水的氧化还原反应。氧化锌和钛酸钡都是具有良好特性的压电材料。每一种材料的压电源于在他们的晶体结构缺乏反演对称性。任何在材料上的变形或应变，如锌氧四面体的变形（图3a）由于相对钛氧的位置变化（图3b）将导致一个非零的偶极矩在晶体的晶格中。因此，在材料的表面一个应变感应电荷潜力被生产。如果一外部机械能要导致纤维或晶体弯曲（变形），则氧化锌和钛酸钡的具体形态，如纤维和晶体将要求在其表面拥有电势。在潮湿的条件（即在纯净水）形成在纤维或晶体表面的应变诱导电位可通过电荷转移到物种，如在表面吸附的水分子（图3c）供氧化还原反应使用。请注意，必须有比水的标准氧化还原电位（1.23电子伏特）更大的发展潜力，使电子可启动在实验中的氧化还原反应（图3D）。低于1.23伏特的剩余电位或电势将不参与从水中形成氢气和氧气的反应（图3E）。

同样，当外部机械投入被关闭时，电气费将不再堆积在纤维表面。因此，没有足够的潜力可以被用来减少或氧化水分子分别成为氢气和氧气。这是明显的例证，我们没有观察到快速气体的增长速度在无振动与振动模式相比较的情况下。

请注意，建议初期工作的mechanocatalytic影响使用二进制过渡金属氧化物分裂水展示的基础上，金属氧化以及减少在驱动机械金属氧化物的反应能源形成H2和O2.，虽然该工程表明的也是一个机械能直接转换为化学能，但是水分解机理还是不同于压电电化学过程的。据报道，反应过程中形成的金属为制氢负责.在PZEC的效果下，催化剂（即，氧化锌和钛酸钡）通过捐赠没有被氧化，减少或腐烂的应变诱导的电子和空穴参加直接分解水反应。我们的透射电镜观察和X射线衍射表明，在反应前后没有金属物种或其他额外的阶段出现在我们的实验样本（见支撑XRD图谱信息）。我们的结论是，氧化锌纤维和树突钛酸钡都对利用超声波振动直接从水中生成氢气和氧气表现出良好的反应。在以上气体生产实验的基