新能源時(shí)代，電動(dòng)汽車中的鋰電池車與氫燃料車正迎來正面的較量。但讓很多人疑惑的是，在鋰電池技術(shù)發(fā)展日益成熟的當(dāng)下，為什么氫燃料要加快“上馬”？2019年，我國(guó)《政府工作報(bào)告》中第一次提到了氫能源，并表示要大力推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)。
氫是一種無色的氣體，在大自然中分布非常廣泛。水是氫的大“倉(cāng)庫(kù)”，石油、煤炭、天然氣、泥土、動(dòng)植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在，地球表面約70%為水所覆蓋，因此氫可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。
除核燃料外，氫的發(fā)熱值（142.351kJ/kg）是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油發(fā)熱量的3倍。氫燃燒的產(chǎn)物是水，不會(huì)產(chǎn)生任何廢渣和廢氣，對(duì)環(huán)境沒有任何污染。因此，氫被認(rèn)為是21世紀(jì)最理想的清潔能源，其中日本和韓國(guó)正在實(shí)行能源重組以實(shí)現(xiàn)零排放的“氫經(jīng)濟(jì)”，聲稱運(yùn)輸將主要由燃料電池汽車和燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但是，截至目前為什么氫未能得到大范圍應(yīng)用呢？
據(jù)了解，氫氣極易燃燒，且很容易從儲(chǔ)罐泄漏，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中可能引起爆炸危險(xiǎn)；盡管純氫自然存在于地球上，但其數(shù)量不足以實(shí)現(xiàn)具有成本效益的利用；氫原子必須從甲烷或水等分子中提取，這需要消耗大量能源；盡管目前存在幾種生產(chǎn)氫燃料的技術(shù)，但科學(xué)家們還未能使該過程“足夠有效”，氫尚未成為能源市場(chǎng)上具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的燃料。
常用的幾種制氫方法：采用化石燃料制取氫氣；從化工副產(chǎn)物中提取氫氣，如采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣，以及利用太陽(yáng)能、風(fēng)能對(duì)水進(jìn)行電解等。作為相對(duì)傳統(tǒng)的方式，化石燃料制氫的缺點(diǎn)在于既離不開對(duì)化石燃料的依賴，同時(shí)仍然會(huì)排出二氧化碳等溫室氣體，降低了制氫的環(huán)保效益。
目前，人們大多采用水蒸氣或天然氣蒸氣重組反應(yīng)合成氫氣，但此過程中也會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，不夠環(huán)保；另一種電解水制氫，人們可運(yùn)用再生能源電力與該技術(shù)來分解水，進(jìn)而制造氫氣與氧氣，只是耗能又不省水。多年來，科學(xué)家們一直在努力尋求更為廉價(jià)，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的方式來生產(chǎn)氫氣。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最有效的方法之一是通過太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的過程，即使用光來加速（或催化）將水分子分解為氧氣和氫氣。
20世紀(jì)70年代，曾有科學(xué)家研發(fā)出光催化制氫，即利用二氧化鈦?zhàn)鳛楣獯呋瘎?，讓?yáng)光、紫外光分解水并制造氫、氧，最后再將氫氣用于燃料電池。但是，二氧化鈦制價(jià)格昂貴，且制氫量往往不高，若要提高效率，得使用釕、白金與鎘等或昂貴或具有毒性的金屬。
近日，日本東京理科大學(xué)的研究人員，發(fā)現(xiàn)了一種更便宜、更容易獲得的半導(dǎo)體催化劑材料——一種稱為針鐵礦（α-FeOOH）的銹蝕形式。在相同的光下，汞/疝氣燈照射下的產(chǎn)氫量可比二氧化鈦催化劑高25倍，相關(guān)成果已發(fā)表于《化學(xué)》雜志。
針鐵礦是常見的一種鐵的氧化物，通常所見的鐵銹都是由它組成，顏色為黃棕、暗棕色，是煉鐵的重要原料，不僅來源廣泛，市場(chǎng)也比較成熟。該新型光催化劑材料既可提高反應(yīng)效率，還能解決太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的氫氣生產(chǎn)中使用半導(dǎo)體催化劑遇到的常見挑戰(zhàn)：催化劑材料需要適合使用光能；當(dāng)前使用的大多數(shù)光催化劑需要稀有或貴金屬作為助催化劑，它們昂貴且難以獲得；實(shí)際中生產(chǎn)氫氣和氧氣時(shí)如果不立即分離，則這兩種氣體的混合物可能會(huì)減少氫燃料的輸出，最壞的情況甚至還會(huì)引起爆炸。
試驗(yàn)中，該研究團(tuán)隊(duì)首先在容器中放入水-甲醇溶液和催化劑α-FeOOH，再用氙氣燈照射α-FeOOH，進(jìn)而觀察氫氣的產(chǎn)量，以評(píng)估該系統(tǒng)生產(chǎn)氫氣的效率及活化它的最佳實(shí)驗(yàn)條件。他們對(duì)于采用該催化劑制氫感到非常驚喜，因?yàn)榇蠖鄶?shù)氧化鐵不還原氫；而尋找活化α-FeOOH的條件時(shí)，他們又發(fā)現(xiàn)氧是不可缺少的因素。因?yàn)榇饲霸性S多研究表明，氧通過捕獲激發(fā)的電子會(huì)抑制氫的產(chǎn)生。該團(tuán)隊(duì)通過利用“氣相色譜-質(zhì)譜分析”法，進(jìn)一步證實(shí)了“水-甲醇溶液”中氫氣的產(chǎn)生機(jī)制。
他們發(fā)現(xiàn)，α-FeOOH的活性是二氧化鈦的25倍，從而支持了穩(wěn)定持續(xù)的超過400h的氫氣生產(chǎn)。此外，這種特殊形式的銹蝕有助于阻止氫氣與容器中的氧氣再度重新組合，使得兩種氣體的分離更為容易，進(jìn)而降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
接下來，需要更多的研究來優(yōu)化此反應(yīng)過程。氧在激活光誘導(dǎo)的α-FeOOH中的特定功能尚未公開，當(dāng)從反應(yīng)室中移出氧氣時(shí)，系統(tǒng)會(huì)完全停止工作。因此該團(tuán)隊(duì)的下一步工作是精確研究氧氣在激活光誘導(dǎo)的α-FeOOH反應(yīng)中的作用。盡管這項(xiàng)技術(shù)仍然需要分解水才能產(chǎn)生氫，但這可能是使用日光的有效方法，而無需任何昂貴的催化劑。
