來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
發(fā)布時(shí)間：2020-3-23
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室院士李燦、研究員李仁貴等在太陽(yáng)能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進(jìn)展，率先提出并驗(yàn)證了一種全新的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略，該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽(yáng)能分解水制氫，太陽(yáng)能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國(guó)際最高記錄。研究成果近期發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》。
太陽(yáng)能光催化分解水制氫可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能。光催化過(guò)程是一個(gè)跨越多個(gè)時(shí)間尺度的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程，涉及化學(xué)、物理、生物等一系列多學(xué)科前沿科學(xué)問(wèn)題。如果能利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)高效水分解制氫，不僅可緩解能源緊缺問(wèn)題，還有望替代化石能源，將有可能改變世界能源格局，從根本上實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和社會(huì)生態(tài)文明。
李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能光催化、光電催化及電催化的前沿科學(xué)問(wèn)題研究，是國(guó)內(nèi)最早啟動(dòng)太陽(yáng)能光催化分解水制氫研究的團(tuán)隊(duì)之一。尤其在基于粉末納米顆粒光催化劑體系的光生電荷分離等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究上取得了系列重要進(jìn)展，先后提出異相結(jié)電荷分離機(jī)制，發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)，發(fā)展了高對(duì)稱性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離策略和極性誘導(dǎo)的光生電荷分離新策略，自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)，并確認(rèn)了晶面間光生電荷的分離等，受到國(guó)際太陽(yáng)能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chǔ)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)一直在探索太陽(yáng)能分解水制氫規(guī)模化應(yīng)用的示范。
受自然光合作用原理啟發(fā)，研究人員借鑒大規(guī)模種植莊稼的作法，率先提出并驗(yàn)證了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽(yáng)能規(guī)模化分解水制氫的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略，這是一種不同于國(guó)際上報(bào)道的全新策略?！皻滢r(nóng)場(chǎng)”策略，是借鑒自然光合作用Z-機(jī)制將光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及將光反應(yīng)和暗反應(yīng)在空間上分離的原理，將分解水反應(yīng)中的水氧化反應(yīng)與質(zhì)子還原反應(yīng)在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應(yīng)，規(guī)避了產(chǎn)物氫氣和氧氣分離等問(wèn)題，水氧化反應(yīng)器開(kāi)放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。實(shí)現(xiàn)“氫農(nóng)場(chǎng)”策略需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效水氧化光催化過(guò)程，二是如何抑制納米光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)物種之間的反應(yīng)（即逆反應(yīng)）。
近日，研究人員基于晶面間光生電荷分離原理，通過(guò)精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例，優(yōu)化光催化水氧化反應(yīng)性能，在Fe3+/Fe2+離子作為儲(chǔ)能介質(zhì)的條件下，可見(jiàn)光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“氫農(nóng)場(chǎng)”體系的太陽(yáng)能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過(guò)1.8%，是目前國(guó)際上報(bào)道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽(yáng)能制氫效率的最高值。同時(shí)，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe3+/Fe2+離子對(duì)之間的逆反應(yīng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進(jìn)行了戶外太陽(yáng)光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“氫農(nóng)場(chǎng)”策略的可行性?！ ?/p>
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