高效光解水制氫如何實現(xiàn)？中國團(tuán)隊研發(fā)出“神奇配方”

　　中新網(wǎng)北京4月8日電 (記者 孫自法)作為能源領(lǐng)域“超級明星”之一，綠色低碳的光解水制氫技術(shù)自1972年被發(fā)現(xiàn)以來一直備受關(guān)注，如何實現(xiàn)其低成本、高效率和規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，也是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界孜孜以求的重要目標(biāo)與方向。

　　創(chuàng)造出一項新紀(jì)錄

　　來自中國科學(xué)院金屬研究所的消息說，該所劉崗研究員團(tuán)隊最新研發(fā)出一種“神奇配方”，通過原子層面改造半導(dǎo)體光催化材料，將制備的新型二氧化鈦顆粒直接投入水中接受太陽照射，就可以實現(xiàn)高效光(太陽光中的紫外光)解水制氫。

　　研究結(jié)果顯示，使用“神奇配方”光催化材料，其光生電荷分離效率提升200余倍，對波長為360納米紫外光的量子利用率突破30%。在模擬太陽光下，其產(chǎn)氫效率比目前已知二氧化鈦高出15倍，創(chuàng)造出基于二氧化鈦材料體系光解水制氫的新紀(jì)錄。

　　劉崗表示，“若用這種材料制作1平方米的光催化板，在陽光照射下每天能產(chǎn)生約10升的氫氣?！?/p>

　　中國團(tuán)隊研發(fā)出的光催化材料“秘方”，是太陽能利用領(lǐng)域一項突破性進(jìn)展，其基礎(chǔ)研究成果論文北京時間4月8日在國際學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)會會刊》發(fā)表。

　　傳統(tǒng)材料有致命缺陷

　　劉崗介紹說，150年前，法國科幻大師凡爾納曾預(yù)言：水將成為終極燃料。此后，科學(xué)家們一直努力發(fā)展能將這個預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實的各種可能的技術(shù)，其中就包括“光催化分解水”這項通過陽光直接分解水獲取氫氣的技術(shù)。

　　目前，太陽能制氫主要有兩種方式：一是太陽能電池發(fā)電再電解水，其效率高但設(shè)備復(fù)雜且昂貴；二是太陽光直接光解水，即通過二氧化鈦等半導(dǎo)體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。

　　劉崗指出，后者這種特殊的“光之催化材料”，受到陽光照射時，它就像微型發(fā)電廠一樣開始運轉(zhuǎn)。在二氧化鈦晶體里布滿數(shù)以億計的“能量接收站”，每個接收站由鈦原子和氧原子精密排布構(gòu)成，當(dāng)陽光中的光子撞擊時，就會激發(fā)出攜帶能量的“電子-空穴對”，再利用其能量來分解水制氫。

　　不過，傳統(tǒng)二氧化鈦有個致命缺陷：這些被激活的電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料內(nèi)部橫沖直撞，絕大多數(shù)的電子和空穴在百萬分之一秒內(nèi)就會復(fù)合湮滅。同時，高溫制備環(huán)境容易導(dǎo)致氧原子“離家出走”，形成致命的“陷阱區(qū)”，讓材料“迷宮”充滿陷阱，從而更加影響和阻礙光解水。

　　鈧元素的三大絕技

　　如何破除傳統(tǒng)二氧化鈦材料的“迷宮陷阱”？劉崗團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，元素周期表中鈦的“鄰居”鈧這個稀土元素有三大絕技，可作為“改造工程師”對二氧化鈦實施部分“元素替代”并進(jìn)行“結(jié)構(gòu)整容”。

　　鈧元素的三大絕技包括：鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入鈦晶格而不造成結(jié)構(gòu)變形；鈧的穩(wěn)定價態(tài)+3價恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡；鈧原子在表面能重構(gòu)晶體原子排布，得到特定的晶面結(jié)構(gòu)，從而能夠指引光生電子和空穴順利跑出“迷宮”。

　　此次研究選擇鈧鈦“聯(lián)姻”，也被團(tuán)隊笑言“遠(yuǎn)親不如近鄰”。通過引入5%的鈧原子，研究團(tuán)隊成功制備出顆粒表面由“101”和“110”兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個晶面就像精心設(shè)計的“電荷高速公路”：一個晶面專門收集電子，另一個則負(fù)責(zé)接收空穴。

　　研究團(tuán)隊稱，尤其是這兩個晶面之間形成強度堪比太陽能電池的定向電場(約1千伏每厘米)，相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設(shè)了電荷運輸?shù)摹傲⒔粯颉保Ω咝使饨馑茪洹?/p>

　　后續(xù)向可見光拓展

　　劉崗指出，太陽光主要由紫外光、可見光和紅外光三部分組成，本次研發(fā)出的鈧摻雜二氧化鈦光催化材料目前僅適用于吸收紫外光，通過紫外光分解水產(chǎn)生氫。

　　研究團(tuán)隊未來努力的方向，是在持續(xù)提升對紫外光利用的基礎(chǔ)上，增加對可見光的利用，希望下一步所開發(fā)的材料，能很好地吸收可見光，同時電荷分離效果很好，以進(jìn)一步實現(xiàn)可見光誘導(dǎo)水分解反應(yīng)制氫。

　　從工業(yè)應(yīng)用的角度，二氧化鈦作為一種工業(yè)用途廣泛的無機材料，中國產(chǎn)能占全球50%以上，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。同時，中國稀土鈧的儲量也位居世界前列。

　　劉崗表示，中國對于二氧化鈦及其后續(xù)光催化材料的發(fā)展和工業(yè)應(yīng)用，都具有得天獨厚的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，光催化分解水效率進(jìn)一步突破后，將有望實現(xiàn)特定場景下的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推動能源結(jié)構(gòu)升級和高質(zhì)量發(fā)展，以新質(zhì)生產(chǎn)力助力“雙碳”(碳達(dá)峰碳中和)目標(biāo)實現(xiàn)。(完)