太陽(yáng)能制氫獲突破 氫能“上位”見(jiàn)契機

　　近日，中科院大連化物所李燦院士領(lǐng)導的研究團隊在太陽(yáng)能制氫研究領(lǐng)域取得多項進(jìn)展。不僅實(shí)現了2.5%的光催化體系世界最高太陽(yáng)能制氫效率，同時(shí)還獲得了穩定性最高的Ta3N5太陽(yáng)能光電化學(xué)分解水體系，并在國際上首次提出光電催化空穴儲存層概念，為進(jìn)一步設計構筑高效穩定的太陽(yáng)能轉化體系提供了新的思路和策略。

　　利用取之不盡的太陽(yáng)能作為制氫的一次能源是理想的能源發(fā)展方向?？茖W(xué)家們通過(guò)光催化和光電催化，利用太陽(yáng)能把水分解為燃料電池所必需的氫和氧。然而，過(guò)去幾十年研究的光催化材料只能利用占太陽(yáng)光總能量4%的紫外光，使太陽(yáng)能制氫的廣泛應用受到極大限制。如何發(fā)展穩定的可見(jiàn)光光催化材料，使之能充分利用占太陽(yáng)能總能量43%的可見(jiàn)光，成為太陽(yáng)能分解水制氫技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵。

　　在國家自然科學(xué)基金重大項目和科技部“973”項目的資助下，通過(guò)多年的持續攻關(guān)，李燦研究團隊在光催化和光電催化分解水的可見(jiàn)光研究中取得了重要進(jìn)展。他們利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽(yáng)極，在最小偏壓下實(shí)現了可見(jiàn)光驅動(dòng)的全分解水反應。并將BiVO4光陽(yáng)極與硅疊層光陰極耦合，使太陽(yáng)能制氫效率達到2.5%以上，這是目前該體系的世界最高效率。

　　在進(jìn)行太陽(yáng)能光催化分解水研究的同時(shí)，該團隊也啟動(dòng)了太陽(yáng)能光電催化分解水的研究。要提高太陽(yáng)能制氫效率，必須發(fā)展寬光譜捕光的窄帶隙半導體光陽(yáng)極，其中具有代表性的是窄帶隙半導體Ta3N5材料，其太陽(yáng)能制氫理論效率可達15%以上，是目前國際太陽(yáng)能光電催化制氫領(lǐng)域的主攻體系之一。

　　但這一體系易受光腐蝕，解決其穩定性成為該領(lǐng)域的挑戰課題。在這項研究工作中，大化所科研人員在光陽(yáng)極表面組裝水鐵石(Fh)層、保持光電催化水氧化高效率前提下，發(fā)現其體系穩定性可由幾分鐘延長(cháng)至數小時(shí)，甚至十余小時(shí)后也未見(jiàn)明顯衰退，這是目前世界上報道的穩定性最高的Ta3N5分解水光陽(yáng)極體系。

　　科研人員進(jìn)一步探索發(fā)現，Ta3N5表面Fh層具有電容的空穴儲存能力，可使半導體Ta3N5材料免于光腐蝕氧化，從而使光陽(yáng)極的穩定性數量級式提高。藉此，李燦院士領(lǐng)導的太陽(yáng)能研究團隊在國際上提出了光電催化空穴儲存層概念，為進(jìn)一步設計構筑高效穩定的太陽(yáng)能轉化體系提供了新的思路和策略。

　　氫能“上位”，技術(shù)是前提

　　占世界能源供給90%的化石燃料在日益枯竭。同時(shí)，傳統化石能源作燃料造成的全球氣候變暖加速、空氣質(zhì)量下降、環(huán)境污染加劇等問(wèn)題也在日益威脅著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的生存與發(fā)展。作為一種清潔、高效和資源豐富的新能源，氫能成為未來(lái)最理想的能源。而實(shí)現氫的規模制備是發(fā)展氫能的前提和基礎。

　　世界各國都為發(fā)展氫能做好了規劃上的準備。美國已將氫能確定為維系經(jīng)濟繁榮和國家安全的技術(shù)之一，各級政府均提供大量資金資助科研機構進(jìn)行氫能研發(fā);德國國家全資公司NOW公司全權負責該國的氫能燃料電池示范研究;日本則采取了全額投入經(jīng)費的辦法，委托日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省的全資公司VEDO公司負責管理日本氫能和燃料電池示范項目;歐盟成立了氫燃料和燃料電池技術(shù)高級研究小組;我國對于氫能在未來(lái)能源體系中將占有重要地位也已形成共識。

　　然而，只有先在制備技術(shù)上取得突破，才能真正讓氫能造福社會(huì )。在目前已有的多種制氫方法中，通過(guò)光催化和光電催化，利用太陽(yáng)能把水分解為燃料電池所必需的氫和氧再加以利用，這種太陽(yáng)能制氫技術(shù)被稱(chēng)為“人類(lèi)最為理想的技術(shù)”，使氫能開(kāi)發(fā)展現出極其廣闊的前景，因而它的關(guān)注度最高，研發(fā)也最為活躍。今天，大連化物所科研人員在太陽(yáng)能制氫技術(shù)上取得了一系列的進(jìn)展，站在了該領(lǐng)域的世界研究前沿，他們所取得的每一點(diǎn)進(jìn)展，都在使我們距離氫能的大規模開(kāi)發(fā)利用更近一步。

　　太陽(yáng)能制氫主要途徑

　　氫能是一種高品位能源。太陽(yáng)能可以通過(guò)分解水或其他途徑轉換成氫能，即太陽(yáng)能制氫，其主要方法如下：

　　●太陽(yáng)能電解水制氫電解水制氫是目前應用較廣且比較成熟的方法，效率較高(75%~85%)，但電耗大。用常規電來(lái)制氫，從能量利用看，得不償失。

　　●太陽(yáng)能熱分解水制氫將水或水蒸氣加熱到3000K以上，水中的氫和氧便能分解。這種方法制氫效率高，但需要高倍聚光器才能獲得如此高的溫度，一般不采用這種方法制氫。

　　●太陽(yáng)能熱化學(xué)循環(huán)制氫在水中加入一種或幾種中間物，然后加熱到較低溫度，經(jīng)歷不同的反應階段，最終將水分解成氫和氧，而中間物可循環(huán)使用。其存在的主要問(wèn)題是中間物的還原，即使按99.9%~99.99%還原，也還要作0.1%~0.01%的補充，這將影響氫的價(jià)格，并造成環(huán)境污染。

　　●太陽(yáng)能光化學(xué)分解水制氫這一制氫過(guò)程與上述熱化學(xué)循環(huán)制氫有相似之處，需在水中添加某種光敏物質(zhì)作催化劑，增加對陽(yáng)光中長(cháng)波光能的吸收，利用光化學(xué)反應制氫。日本研究人員曾設計了一套包括光化學(xué)、熱電反應的綜合制氫流程，每小時(shí)可產(chǎn)氫97升，效率達10%左右。

　　●太陽(yáng)能光電化學(xué)電池分解水制氫1972年，日本科研人員制造的太陽(yáng)能光電化學(xué)電池在太陽(yáng)光照射下，同時(shí)實(shí)現了分解水制氫、制氧和獲得電能。這一實(shí)驗結果被認為是太陽(yáng)能技術(shù)上的一次突破，但其制氫效率很僅0.4%，只能吸收太陽(yáng)光中的紫外光和近紫外光，且電極易受腐蝕，至今尚未達到實(shí)用要求。

　　●太陽(yáng)光絡(luò )合催化分解水制氫1972年以來(lái)，科學(xué)家發(fā)現三聯(lián)吡啶釕絡(luò )合物的激發(fā)態(tài)具有電子轉移能力，并從絡(luò )合催化電荷轉移反應，提出利用這一過(guò)程進(jìn)行光解水制氫。這種絡(luò )合物是一種催化劑，它的作用是吸收光能、產(chǎn)生電荷分離、電荷轉移和集結，并通過(guò)一系列偶聯(lián)過(guò)程，最終使水分解為氫和氧。絡(luò )合催化分解水制氫尚不成熟，研究工作正在繼續進(jìn)行。

　　●生物光合作用制氫40多年前科研人員發(fā)現，綠藻在無(wú)氧條件下經(jīng)太陽(yáng)光照射可以放出氫氣;后來(lái)又發(fā)現許多藻類(lèi)在無(wú)氧環(huán)境中都有光合放氫作用。由于對光合作用和藻類(lèi)放氫機理了解還不夠，目前藻類(lèi)放氫的效率很低，要實(shí)現工程化產(chǎn)氫還有相當大的距離。