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  中新网北京4月8日电 (记者 孙自法)作为能源领域“超级明星”之一,绿色低碳的光解水制氢技术自1972年被发现以来一直备受关注,如何实现其低成本、高效率和规模化、产业化应用,也是学术界和产业界孜孜以求的重要目标与方向。

  创造出一项新纪录

  来自中国科学院金属研究所的消息说,该所刘岗研究员团队最新研发出一种“神奇配方”,通过原子层面改造半导体光催化材料,将制备的新型二氧化钛颗粒直接投入水中接受太阳照射,就可以实现高效光(太阳光中的紫外光)解水制氢。

  研究结果显示,使用“神奇配方”光催化材料,其光生电荷分离效率提升200余倍,对波长为360纳米紫外光的量子利用率突破30%。在模拟太阳光下,其产氢效率比目前已知二氧化钛高出15倍,创造出基于二氧化钛材料体系光解水制氢的新纪录。

刘岗研究员代表团队作本项研究成果科普报告。中新网记者 孙自法 摄

  刘岗表示,“若用这种材料制作1平方米的光催化板,在阳光照射下每天能产生约10升的氢气。”

  中国团队研发出的光催化材料“秘方”,是太阳能利用领域一项突破性进展,其基础研究成果论文北京时间4月8日在国际学术期刊《美国化学会会刊》发表。

  传统材料有致命缺陷

  刘岗介绍说,150年前,法国科幻大师凡尔纳曾预言:水将成为终极燃料。此后,科学家们一直努力发展能将这个预言变为现实的各种可能的技术,其中就包括“光催化分解水”这项通过阳光直接分解水获取氢气的技术。

  目前,太阳能制氢主要有两种方式:一是太阳能电池发电再电解水,其效率高但设备复杂且昂贵;二是太阳光直接光解水,即通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。

  刘岗指出,后者这种特殊的“光之催化材料”,受到阳光照射时,它就像微型发电厂一样开始运转。在二氧化钛晶体里布满数以亿计的“能量接收站”,每个接收站由钛原子和氧原子精密排布构成,当阳光中的光子撞击时,就会激发出携带能量的“电子-空穴对”,再利用其能量来分解水制氢。

  不过,传统二氧化钛有个致命缺陷:这些被激活的电子和空穴就像迷失方向的赛车,在如同迷宫的材料内部横冲直撞,绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。同时,高温制备环境容易导致氧原子“离家出走”,形成致命的“陷阱区”,让材料“迷宫”充满陷阱,从而更加影响和阻碍光解水。

  钪元素的三大绝技

  如何破除传统二氧化钛材料的“迷宫陷阱”?刘岗团队研究发现,元素周期表中钛的“邻居”钪这个稀土元素有三大绝技,可作为“改造工程师”对二氧化钛实施部分“元素替代”并进行“结构整容”。

  钪元素的三大绝技包括:钪离子半径与钛相近,能完美嵌入钛晶格而不造成结构变形;钪的稳定价态+3价恰好能中和氧空位带来的电荷失衡;钪原子在表面能重构晶体原子排布,得到特定的晶面结构,从而能够指引光生电子和空穴顺利跑出“迷宫”。

中国科学院金属研究所实验室内,展示的使用“神奇配方”光催化材料(右侧5瓶)样品和普通二氧化钛材料样品。中新网记者 孙自法 摄

  此次研究选择钪钛“联姻”,也被团队笑言“远亲不如近邻”。通过引入5%的钪原子,研究团队成功制备出颗粒表面由“101”和“110”两类晶面组成的金红石相二氧化钛。这两个晶面就像精心设计的“电荷高速公路”:一个晶面专门收集电子,另一个则负责接收空穴。

  研究团队称,尤其是这两个晶面之间形成强度堪比太阳能电池的定向电场(约1千伏每厘米),相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设了电荷运输的“立交桥”,助力高效率光解水制氢。

  后续向可见光拓展

  刘岗指出,太阳光主要由紫外光、可见光和红外光三部分组成,本次研发出的钪掺杂二氧化钛光催化材料目前仅适用于吸收紫外光,通过紫外光分解水产生氢。

中国科学院金属研究所实验室内,刘岗研究员(中)和团队科研人员交流。中新网记者 孙自法 摄

  研究团队未来努力的方向,是在持续提升对紫外光利用的基础上,增加对可见光的利用,希望下一步所开发的材料,能很好地吸收可见光,同时电荷分离效果很好,以进一步实现可见光诱导水分解反应制氢。

  从工业应用的角度,二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料,中国产能占全球50%以上,已形成完整的产业链。同时,中国稀土钪的储量也位居世界前列。

  刘岗表示,中国对于二氧化钛及其后续光催化材料的发展和工业应用,都具有得天独厚的产业优势,光催化分解水效率进一步突破后,将有望实现特定场景下的产业应用,推动能源结构升级和高质量发展,以新质生产力助力“双碳”(碳达峰碳中和)目标实现。(完)

【编辑:田博群】

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