太陽能光催化分解水制氫

太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能，是科學(xué)家長(zhǎng)期以來的夢(mèng)想。利用太陽能實(shí)現(xiàn)高效水分解制氫，不僅可以緩解人類能源的問題，還有望替代化石能源并可能改變世界能源格局。

然而，光催化過程又是一個(gè)跨越多個(gè)時(shí)間尺度的復(fù)雜反應(yīng)過程，涉及化學(xué)、物理、生物等多學(xué)科的前沿科學(xué)。記者今天從中科院大連化學(xué)物理所獲悉，該所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進(jìn)展，率先提出并驗(yàn)證了一種全新的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略。該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫，太陽能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國(guó)際最高記錄。該研究成果日前發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

受自然光合作用原理啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)借鑒大規(guī)模種植莊稼的做法，率先提出并驗(yàn)證了基于粉末納米顆粒光催化劑的太陽能規(guī)?；纸馑茪涞摹皻滢r(nóng)場(chǎng)”策略，這是一種不同于國(guó)際上報(bào)道的全新策略。而該策略的實(shí)現(xiàn)需要解決兩大關(guān)鍵問題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效光催化水氧化儲(chǔ)存太陽能過程，二是如何抑制納米顆粒光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì)之間的反應(yīng)（即逆反應(yīng)）。

中科院大化所李仁貴研究員介紹，“氫農(nóng)場(chǎng)”策略是借鑒自然光合作用中光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及光反應(yīng)和暗反應(yīng)在空間上分離的原理，將分解水反應(yīng)中的水氧化反應(yīng)與質(zhì)子還原反應(yīng)在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應(yīng)，規(guī)避了產(chǎn)物氫氣和氧氣分離等問題，水氧化反應(yīng)器開放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

此外，研究團(tuán)隊(duì)基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例，使光催化水氧化反應(yīng)性能得到優(yōu)化，在Fe3+/Fe2+離子對(duì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“氫農(nóng)場(chǎng)”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，這也是目前國(guó)際上報(bào)道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值。同時(shí)，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性以及戶外太陽光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“氫農(nóng)場(chǎng)”策略的可行性，為基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用示范提供了科學(xué)基礎(chǔ)。