150年前，科幻大師儒勒·凡爾納曾預(yù)言：水將成為未來的終極燃料。如今，科學(xué)家們正努力將這個幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
中國科學(xué)院金屬研究所所長、研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉崗表示，中國科研團(tuán)隊(duì)近期在“光催化分解水制氫”領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展：通過對半導(dǎo)體光催化材料二氧化鈦進(jìn)行“結(jié)構(gòu)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(guān)成果于4月8日發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)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(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：通過二氧化鈦等半導(dǎo)體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。劉崗團(tuán)隊(duì)主要聚焦第二種技術(shù)路線。
據(jù)介紹，用傳統(tǒng)二氧化鈦分解水有嚴(yán)重障礙：當(dāng)光線照射到二氧化鈦時，其內(nèi)部會產(chǎn)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(wěn)定。“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。此外，高溫制備環(huán)境容易導(dǎo)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(yīng)的效率。”劉崗說。
研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)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(jìn)行改造。經(jīng)驗(yàn)證，鈧元素具備三大優(yōu)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(jié)構(gòu)變形;二是鈧的穩(wěn)定價態(tài)恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡;三是鈧離子能重構(gòu)晶體表面，產(chǎn)生特定的晶面結(jié)構(gòu)，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(diào)控，團(tuán)隊(duì)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(chǎn)氫效率較同類材料提升15倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀(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。”
科研人員介紹，二氧化鈦?zhàn)鳛橐环N工業(yè)用途廣泛的無機(jī)材料，中國產(chǎn)能占全球50%以上，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，而稀土鈧的儲量中國也位居世界前列，對于后續(xù)光催化材料的發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用具有得天獨(dú)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，推動能源結(jié)構(gòu)升級。
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