150年前，科幻大師儒勒·凡爾納曾預言：水將成為未來的終極燃料。如今，科學家們正努力將這個幻想變為現實。
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鈦進行“結構整容”和“元素替代”，顯著提升了通過陽光直接分解水獲取氫氣的效率。相關成果于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，其效率高但設備復雜且昂貴;二是太陽光直接光解水：通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下“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，用傳統二氧化鈦分解水有嚴重障礙：當光線照射到二氧化鈦時，其內部會產生帶電粒子(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并不穩定。“電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料內部橫沖直撞，絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒內就會復合湮滅。此外，高溫制備環境容易導致氧原子‘離家出走’，形成氧空位并捕獲電子，這些都大大降低了光催化反應的效率。”劉崗說。
研究團隊創造性地引入鈦在元素周期表中的鄰居——鈧(Sc)元素對二氧化鈦進行改造。經驗證，鈧元素具備三大優勢：一是鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入其晶格而不造成結構變形;二是鈧的穩定價態恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡;三是鈧離子能重構晶體表面，產生特定的晶面結構，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鈦材料，其紫外線利用率突破30%，模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升15倍，創造了該材料體系的新紀錄。劉崗表示：“若用這種材料制作1平方米的光催化板，在陽光照射下每天能產生約10升的氫氣。”
科研人員介紹，二氧化鈦作為一種工業用途廣泛的無機材料，中國產能占全球50%以上，已形成完整的產業鏈，而稀土鈧的儲量中國也位居世界前列，對于后續光催化材料的發展及工業應用具有得天獨厚的產業優勢。光催化分解水效率進一步突破后將有望實現產業應用，推動能源結構升級。
責任編輯：陸迪
