4月8日，中國科學(xué)院金屬研究所劉崗團(tuán)隊在《美國化學(xué)學(xué)會期刊》發(fā)表的科研成果，為太陽能制氫技術(shù)開辟了新路徑。

研究團(tuán)隊通過向二氧化鈦材料中引入稀土元素“鈧”，成功構(gòu)建起定向傳輸光生電荷的“高速公路”，將光解水制氫效率提升至傳統(tǒng)材料的15倍。

“好鄰居”變身好幫手

在傳統(tǒng)二氧化鈦材料中，被光子激發(fā)的電子和空穴如同置身迷宮的賽車，百萬分之一秒內(nèi)就會碰撞湮滅，致使光能轉(zhuǎn)化效率長期徘徊在低位。

研究團(tuán)隊創(chuàng)造性采用“元素替代”和“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”策略，選擇鈦的鄰居——稀土元素鈧，作為晶格改造工程師。鈧離子憑借與鈦相近的原子半徑（0.87Å vs 0.68Å）完美嵌入晶格，其穩(wěn)定的+3價態(tài)有效中和了高溫制備產(chǎn)生的氧空位缺陷，更在材料表面重構(gòu)出由｛101｝和｛110｝晶面組成的電荷傳輸通道。

劉崗解釋道：“這相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒里架起了立交橋。”兩個特殊晶面如同分工明確的車道，分別引導(dǎo)電子和空穴向相反方向運動，配合晶面間強(qiáng)度達(dá)1kV/cm的內(nèi)建電場，使得光生電荷分離效率提升200余倍。

▲鈧摻雜氧化鈦晶體結(jié)構(gòu)和光解水反應(yīng)示意圖

這種摻雜5%鈧原子制備出的新型光解水催化材料名叫“金紅石相二氧化鈦”。經(jīng)實驗驗證，在模擬太陽光下，其產(chǎn)氫效率比已報道的二氧化鈦高出15倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀(jì)錄。若將新材料制成1平方米的光催化材料面板，每日太陽光照可產(chǎn)生約10升的氫氣；若制作成100平方米的光催化板，一天光照時間產(chǎn)生的氫氣，可以驅(qū)動一輛氫能汽車行駛68公里。

“下半場”勝利有望

該項技術(shù)從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化具備得天獨厚的資源優(yōu)勢和應(yīng)用場景。首先，二氧化鈦在中國作為一種工業(yè)用途廣泛的無機(jī)材料，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，且國內(nèi)的稀土鈧儲量位居世界前列；其次，相較于當(dāng)前主流的“光伏發(fā)電+電解水”技術(shù)路線，這種直接光解水方案在保持系統(tǒng)簡潔性的同時，將設(shè)備成本降低了約60%，更適用于分布式能源場景。

對于光解水制氫的突破性成果，劉崗則坦言：“這只是‘半場勝利’，目前我們只是利用了占太陽光5%的紫外光，如何用好占43%的可見光是我們的下一個攻關(guān)方向。”

目前研究團(tuán)隊正致力于將材料的響應(yīng)光譜從紫外區(qū)拓展至可見光范圍。通過構(gòu)建梯度能帶結(jié)構(gòu)、引入等離子體共振效應(yīng)等策略，計劃在未來三年內(nèi)實現(xiàn)全光譜15%以上的量子效率，讓這一指標(biāo)真正達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用門檻。

“這項研究為設(shè)計高效光催化材料提供了新思路，隨著效率進(jìn)一步提升，太陽能光解水制氫有望成為綠色能源體系的重要拼圖。”

屆時，這一成果將為未來能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級提供強(qiáng)有力的支撐。150年前科幻作家凡爾納預(yù)言的“水將成為終極燃料”或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實。

       原文標(biāo)題 : 周期表上的鄰居，助力光解水制氫效率提升15倍