高效光解水制氢如何实现？中国团队研发出“神奇配方”

中新网北京4月8日电(记者孙自法)作为能源领域“超级明星”之一，绿色低碳的光解水制氢技术自1972年被发现以来一直备受关注，如何实现其低成本、高效率和规模化、产业化应用，也是学术界和产业界孜孜以求的重要目标与方向。

创造出一项新纪录

来自中国科学院金属研究所的消息说，该所刘岗研究员团队最新研发出一种“神奇配方”，通过原子层面改造半导体光催化材料，将制备的新型二氧化钛颗粒直接投入水中接受太阳照射，就可以实现高效光(太阳光中的紫外光)解水制氢。

研究结果显示，使用“神奇配方”光催化材料，其光生电荷分离效率提升200余倍，对波长为360纳米紫外光的量子利用率突破30%。在模拟太阳光下，其产氢效率比目前已知二氧化钛高出15倍，创造出基于二氧化钛材料体系光解水制氢的新纪录。

刘岗表示，“若用这种材料制作1平方米的光催化板，在阳光照射下每天能产生约10升的氢气。”

中国团队研发出的光催化材料“秘方”，是太阳能利用领域一项突破性进展，其基础研究成果论文北京时间4月8日在国际学术期刊《美国化学会会刊》发表。

传统材料有致命缺陷

刘岗介绍说，150年前，法国科幻大师凡尔纳曾预言：水将成为终极燃料。此后，科学家们一直努力发展能将这个预言变为现实的各种可能的技术，其中就包括“光催化分解水”这项通过阳光直接分解水获取氢气的技术。

目前，太阳能制氢主要有两种方式：一是太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；二是太阳光直接光解水，即通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。

刘岗指出，后者这种特殊的“光之催化材料”，受到阳光照射时，它就像微型发电厂一样开始运转。在二氧化钛晶体里布满数以亿计的“能量接收站”，每个接收站由钛原子和氧原子精密排布构成，当阳光中的光子撞击时，就会激发出携带能量的“电子-空穴对”，再利用其能量来分解水制氢。

不过，传统二氧化钛有个致命缺陷：这些被激活的电子和空穴就像迷失方向的赛车，在如同迷宫的材料内部横冲直撞，绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。同时，高温制备环境容易导致氧原子“离家出走”，形成致命的“陷阱区”，让材料“迷宫”充满陷阱，从而更加影响和阻碍光解水。

钪元素的三大绝技

如何破除传统二氧化钛材料的“迷宫陷阱”？刘岗团队研究发现，元素周期表中钛的“邻居”钪这个稀土元素有三大绝技，可作为“改造工程师”对二氧化钛实施部分“元素替代”并进行“结构整容”。

钪元素的三大绝技包括：钪离子半径与钛相近，能完美嵌入钛晶格而不造成结构变形；钪的稳定价态+3价恰好能中和氧空位带来的电荷失衡；钪原子在表面能重构晶体原子排布，得到特定的晶面结构，从而能够指引光生电子和空穴顺利跑出“迷宫”。

此次研究选择钪钛“联姻”，也被团队笑言“远亲不如近邻”。通过引入5%的钪原子，研究团队成功制备出颗粒表面由“101”和“110”两类晶面组成的金红石相二氧化钛。这两个晶面就像精心设计的“电荷高速公路”：一个晶面专门收集电子，另一个则负责接收空穴。

研究团队称，尤其是这两个晶面之间形成强度堪比太阳能电池的定向电场(约1千伏每厘米)，相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设了电荷运输的“立交桥”，助力高效率光解水制氢。

后续向可见光拓展

刘岗指出，太阳光主要由紫外光、可见光和红外光三部分组成，本次研发出的钪掺杂二氧化钛光催化材料目前仅适用于吸收紫外光，通过紫外光分解水产生氢。

研究团队未来努力的方向，是在持续提升对紫外光利用的基础上，增加对可见光的利用，希望下一步所开发的材料，能很好地吸收可见光，同时电荷分离效果很好，以进一步实现可见光诱导水分解反应制氢。

从工业应用的角度，二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，中国产能占全球50%以上，已形成完整的产业链。同时，中国稀土钪的储量也位居世界前列。

刘岗表示，中国对于二氧化钛及其后续光催化材料的发展和工业应用，都具有得天独厚的产业优势，光催化分解水效率进一步突破后，将有望实现特定场景下的产业应用，推动能源结构升级和高质量发展，以新质生产力助力“双碳”(碳达峰碳中和)目标实现。(完)