人工制氫開啟能源技術(shù)變革

可持續(xù)、高效率的規(guī)模制氫技術(shù)的開發(fā)，已成為“氫經(jīng)濟(jì)”時代的迫切需求——氫氣能量密度高、清潔環(huán)保，燃燒后生成水無任何污染物，是一種理想的能源載體;氫能與現(xiàn)有能源系統(tǒng)匹配和兼容，能方便、高效地轉(zhuǎn)換成電或熱，有較高的轉(zhuǎn)化效率;氫還可以轉(zhuǎn)化合成甲醇或氨等大宗化學(xué)品，受到工業(yè)界極大關(guān)注。隨著氫能利用技術(shù)漸趨成熟，有望取代現(xiàn)有石油經(jīng)濟(jì)體系的“氫經(jīng)濟(jì)”時代，正在一個又一個相關(guān)技術(shù)的突破中逐漸向我們靠近。

近，《德國應(yīng)用化學(xué)》期刊在線發(fā)表了我國科學(xué)家與日本科學(xué)家合作取得的重大突破——人工光合制氫新技術(shù)的效率達(dá)到目前世界高。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、章福祥研究員和博士生陳閃山等與日本東京大學(xué)堂免一成(DomenKazunari)教授課題組合作發(fā)現(xiàn)，經(jīng)一步氮化合成的MgTa2O6xNy/TaON異質(zhì)結(jié)材料，可有效促進(jìn)光生電荷分離。基于此異質(zhì)結(jié)材料，他們模擬自然光合作用原理，采用“Z”機(jī)制成功實(shí)現(xiàn)了完全分解水制氫，其制氫表觀量子效率在波長為420納米可見光激發(fā)下高達(dá)6.8%，為目前國際上高。

利用太陽光分解水制氫，長久以來被視為“化學(xué)的圣杯”。

光催化分解水制氫是從根本上解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的理想途徑之一，而寬光譜響應(yīng)半導(dǎo)體材料的開發(fā)與應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)太陽能高效光化學(xué)轉(zhuǎn)化的前提和基礎(chǔ)。此前，李燦院士、章福祥研究員和博士生陳閃山等早就瞄準(zhǔn)了具有太陽能應(yīng)用轉(zhuǎn)化潛力的寬光譜響應(yīng)半導(dǎo)體材料制氫技術(shù)。他們從新型材料的開發(fā)入手，通過對系列層狀或隧道狀寬禁帶半導(dǎo)體材料進(jìn)行摻氮處理，實(shí)現(xiàn)了有效的寬光譜吸收和利用，并從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了該類新型半導(dǎo)體材料具有可見光催化分解水制氫潛力。

本次研究采用的新型異質(zhì)結(jié)材料，就是該團(tuán)隊(duì)在此前自主開發(fā)的MgTa2O6xNy新材料基礎(chǔ)上，通過氮化合成策略的創(chuàng)新，成功構(gòu)筑而成的。

“研究成果不僅提供了‘異質(zhì)結(jié)’構(gòu)筑的新方法，打通了從新型材料研發(fā)到人工光合全分解水制氫的鏈條，而且為發(fā)展我國自主創(chuàng)新的高效寬光譜可見光人工光合制氫能源變革性技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。”業(yè)內(nèi)專家在評價該成果時說。

太陽能是豐富的潔凈能源，水是地球上豐富的自然資源之一。

全球每年接受的太陽能輻射總量高達(dá)12萬太瓦，約為當(dāng)前全球人類能量消耗總量的近萬倍;我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量相當(dāng)于2萬多億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，屬于太陽能資源豐富的國家。因此，如果能夠通過太陽能光催化分解水制氫，將從根本上解決基于氫能的可持續(xù)能源發(fā)展問題。該技術(shù)一旦突破，將改變世界能源格局，對我國的國家安全、生態(tài)文明社會建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有不可估量的意義。

大連化物所是我國早從事人工光合制氫研究的機(jī)構(gòu)之一。李燦院士團(tuán)隊(duì)從2001年啟動人工光合制氫研究，在人工光合制氫基礎(chǔ)研究方面進(jìn)行了廣泛探索，其研究成果為高效太陽能光-化學(xué)轉(zhuǎn)化體系構(gòu)筑提供了新策略和設(shè)計思路，得到了國內(nèi)外同行專家的廣泛關(guān)注。