太阳能光催化分解水制氢

太阳能光催化分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能，是科学家长期以来的梦想。利用太阳能实现高效水分解制氢，不仅可以缓解人类能源的问题，还有望替代化石能源并可能改变世界能源格局。

然而，光催化过程又是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程，涉及化学、物理、生物等多学科的前沿科学。记者今天从中科院大连化学物理所获悉，该所催化基础国家重点实验室李灿院士、李仁贵研究员等在太阳能可规模化分解水制氢方面取得新进展，率先提出并验证了一种全新的“氢农场”策略。该策略基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢，太阳能光催化全分解水制氢效率创国际最高记录。该研究成果日前发表在《德国应用化学》上。

受自然光合作用原理启发，研究团队借鉴大规模种植庄稼的做法，率先提出并验证了基于粉末纳米颗粒光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略，这是一种不同于国际上报道的全新策略。而该策略的实现需要解决两大关键问题，一是如何实现高效光催化水氧化储存太阳能过程，二是如何抑制纳米颗粒光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的反应（即逆反应）。

中科院大化所李仁贵研究员介绍，“氢农场”策略是借鉴自然光合作用中光系统II和光系统I在空间上分离以及光反应和暗反应在空间上分离的原理，将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离，避免了氢气和氧气的逆反应，规避了产物氢气和氧气分离等问题，水氧化反应器开放，原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。

此外，研究团队基于晶面间光生电荷分离原理，通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例，使光催化水氧化反应性能得到优化，在Fe3+/Fe2+离子对作为储能介质的条件下，可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上，“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%，这也是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。同时，利用催化剂不同暴露晶面之间的电荷分离特性以及户外太阳光照射条件下的试验，验证了“氢农场”策略的可行性，为基础研究成果转化为应用示范提供了科学基础。