隨著傳統(tǒng)石油和化石能源的消耗，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，因此發(fā)展新的清潔可再生綠色替代能源成為人們研究的熱點(diǎn)。氫氣，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗紵a(chǎn)物為水，熱值高，無(wú)污染，且地球表面70%都是水源。其中，太陽(yáng)能光催化分解水技術(shù)可把無(wú)限的、分散的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高度集中的氫能，因此被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)清潔可持續(xù)氫氣綠色高效生產(chǎn)的重要途徑。
太陽(yáng)能光催化分解水制氫，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長(zhǎng)期探索研究的領(lǐng)域。但是，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)科的前沿科研問(wèn)題。多項(xiàng)研究證明，使用顆粒狀光催化劑進(jìn)行光催化水分解是大規(guī)模制氫的一種更為經(jīng)濟(jì)有效的方法。
但是，由于電荷分離效率低以及氫和氧之間可能發(fā)生的逆反應(yīng)，光催化水分解制氫仍然受制于極低的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率。此外，大多數(shù)研究所報(bào)告的可見(jiàn)光響應(yīng)性顆粒光催化劑必須要在犧牲劑存在下才對(duì)析氫或析氧半反應(yīng)具有活性。因此，迄今為止對(duì)于光催化水分解制氫的研究中，最高的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率為1.1％。盡管如此，分離氫/氧仍需要額外的氣體分離技術(shù)?；诖耍覀兤惹行枰_(kāi)發(fā)新的策略和光催化劑以有效且可擴(kuò)展地生產(chǎn)太陽(yáng)能氫。
近日，中科院大連化學(xué)物理所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦院士、李仁貴等研究人員，創(chuàng)新性地提出并驗(yàn)證了一種通過(guò)氧化還原穿梭離子環(huán)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能存儲(chǔ)可行的策略。據(jù)稱，該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽(yáng)能分解水制氫，其轉(zhuǎn)化效率超過(guò)1.8%，是目前國(guó)際上已知報(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，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》期刊。
通過(guò)綠色植物的光合作用，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，將大氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為植物生長(zhǎng)的糖分子，這為大規(guī)模有效地捕獲太陽(yáng)能提供了研究方向。據(jù)了解，在光系統(tǒng)中進(jìn)行水氧化反應(yīng)，在此過(guò)程中分子氧得以釋放，同時(shí)通過(guò)碳水化合物的合成為隨后的能量存儲(chǔ)步驟提供質(zhì)子。
受自然界植物光合作用的啟發(fā)，中科院大連化學(xué)物理所研究團(tuán)隊(duì)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)在空間上分離開(kāi)來(lái)，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”。
由于該方法類似于農(nóng)業(yè)的種植、成熟與收獲過(guò)程，因此被命名為“氫農(nóng)場(chǎng)”策略。據(jù)介紹，“氫農(nóng)場(chǎng)”策略包括兩個(gè)子系統(tǒng)，即用于太陽(yáng)能存儲(chǔ)和質(zhì)子生產(chǎn)的高效光催化水氧化，利用質(zhì)子產(chǎn)生氫。
該研究團(tuán)隊(duì)指出，若想順利實(shí)現(xiàn)“氫農(nóng)場(chǎng)”策略，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：設(shè)計(jì)在存在穿梭離子的情況下可有效進(jìn)行光催化水氧化所需的高活性光催化劑，其效率取決于光催化劑的集光、電荷分離以及表面反應(yīng)；抑制還原穿梭離子的氧化過(guò)程，即抑制穿梭離子之間的逆反應(yīng)。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)采用釩酸鉍晶體充當(dāng)水氧化光催化劑用以實(shí)現(xiàn)用于太陽(yáng)能存儲(chǔ)和制氫。實(shí)驗(yàn)表明，釩酸鉍晶體表現(xiàn)出極高的水氧化效率，光催化水氧化的表觀量子效率可以優(yōu)化到71％以上，更重要的是可以完全阻止穿梭離子的逆反應(yīng)。
該研究團(tuán)隊(duì)表示，在戶外日光照射下，通過(guò)“氫農(nóng)場(chǎng)”策略儲(chǔ)存太陽(yáng)能的可伸縮光催化劑面板也得到了充分展示。使用這種理想的光催化劑，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)1.97％的總體太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率和超過(guò)1.85％的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率。該項(xiàng)研究工作，為通過(guò)使用顆粒光催化劑大規(guī)模收集太陽(yáng)能和生產(chǎn)太陽(yáng)能氫提供了一種更實(shí)用的策略，為基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用示范提供了科學(xué)基礎(chǔ)。
