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　　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”。