水变燃料?中国利用光分解水制氢研究取得新突破
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150年前,科幻大师儒勒·凡尔纳曾预言:水将成为未来的终极燃料。如今,科学家们正努力将这个幻想变为现实。
中国科学院金属研究所所长、研究团队负责人刘岗表示,中国科研团队近期在“光催化分解水制氢”领域取得突破性进展:通过对半导体光催化材料二氧化钛进行“结构整容”和“元素替代”,显著提升了通过阳光直接分解水获取氢气的效率。相关成果于4月8日发表在《美国化学学会杂志》上。
目前太阳能制氢主要有两种方式:一是通过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:通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。刘岗团队主要聚焦第二种技术路线。
据介绍,用传统二氧化钛分解水有严重障碍:当光线照射到二氧化钛时,其内部会产生带电粒子(电子和空穴),这些带电粒子就是分解水的“工具”。然而,这些被激活的电子和空穴并不稳定。“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。此外,高温制备环境容易导致氧原子‘离家出走’,形成氧空位并捕获电子,这些都大大降低了光催化反应的效率。”刘岗说。
研究团队创造性地引入钛在元素周期表中的邻居——钪(Sc)元素对二氧化钛进行改造。经验证,钪元素具备三大优势:一是钪离子半径与钛相近,能完美嵌入其晶格而不造成结构变形;二是钪的稳定价态恰好能中和氧空位带来的电荷失衡;三是钪离子能重构晶体表面,产生特定的晶面结构,就像架起“电荷高速公路和立交桥”,让电子和空穴顺利跑出迷宫。
通过精密调控,团队成功研制出性能显著提升的二氧化钛材料,其紫外线利用率突破30%,模拟太阳光下产氢效率较同类材料提升15倍,创造了该材料体系的新纪录。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。”
科研人员介绍,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,而稀土钪的储量中国也位居世界前列,对于后续光催化材料的发展及工业应用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产业应用,推动能源结构升级。
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