中國利用光分解水制氫研究取得新突破

         150年前，科幻大師儒勒·凡爾(ěr)納曾預言：水将成爲未來的終極燃料。如今，科學家們正努力将這個幻想變(biàn)爲現實。

  中國科學院金屬研究所所長、研究團隊負責人劉崗表示，中國科研團隊近期在“光催化分解水制氫”領域取得突破性進展：通過對半導體光催化材料二氧化钛進行“結構整容”和“元素替代”，顯著提升瞭(le)通過陽光直接分解水獲取氫氣的效率。相關成果於(yú)4月8日發表在《美國化學學會雜志》上。

  目前太陽能制氫主要有兩種方式：一是通過太陽能電池發電再電解水，其效率高但設備(bèi)複雜且昂貴；二是太陽光直接光解水：通過二氧化钛等半導(dǎo)體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。劉崗團隊主要聚焦第二種技術路線。

  據介紹，用傳統二氧化钛分解水有嚴重障礙：當光線照射到二氧化钛時，其内部會産生帶電粒子（電子和空穴），這些帶電粒子就是分解水的“工具”。然而，這些被激活的電子和空穴並(bìng)不穩定。“電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料内部橫沖直撞，絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒内就會複合湮滅。此外，高溫制備環境容易導緻氧原子‘離家出走’，形成氧空位並(bìng)捕獲電子，這些都大大降低瞭(le)光催化反應的效率。”劉崗說。

  研究團隊創造性地引入钛在元素周期表中的鄰居——钪（Sc）元素對二氧化钛進行改造。經驗證，钪元素具備(bèi)三大優勢：一是钪離子半徑與钛相近，能完美嵌入其晶格而不造成結構變(biàn)形；二是钪的穩定價态恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡；三是钪離子能重構晶體表面，産生特定的晶面結構，就像架起“電荷高速公路和立交橋”，讓電子和空穴順利跑出迷宮。

  通過精密調控，團隊成功研制出性能顯著提升的二氧化钛材料，其紫外線利用率突破30%，模拟太陽光下産(chǎn)氫效率較同類材料提升15倍，創造瞭(le)該材料體系的新紀錄。劉崗表示：“若用這種材料制作1平方米的光催化闆，在陽光照射下每天能産(chǎn)生約10升的氫氣。”

  科研人員介紹，二氧化钛作爲一種工業用途廣泛的無機材料，中國産(chǎn)能占全球50%以上，已形成完整的産(chǎn)業鏈，而稀土钪的儲量中國也位居世界前列，對於(yú)後續光催化材料的發展及工業應用具有得天獨厚的産(chǎn)業優勢。光催化分解水效率進一步突破後将有望實現産(chǎn)業應用，推動能源結構升級。