在太陽光或一縷LED紫外光照拂下，玻璃燒杯中加入一點點白色粉末，無須加熱也無須其他能源，燒杯里的水便可源源不絕產生氫氣，且經過數百小時的實驗，這種白色粉末的量并未衰減。在云南大學材料與能源學院實驗室，你能見到這樣的“奇觀”。
在碳達峰、碳中和背景下，潔凈的氫成為未來的重要能源，高效、低成本制氫，特別是光解水制氫是科學家研究的方向。1月10日，國際著名期刊《自然•通訊》發(fā)表了云南大學柳清菊教授團隊與英國倫敦大學學院唐軍旺教授團隊、華東師范大學黃榮教授團隊合作的一項重要研究成果——以單原子銅錨定二氧化鈦，成功制備新型光催化劑，其分解水制氫量子效率高達56%，被審稿人稱為“世界紀錄”。這意味著“水變氫”有了一條可實用化的新路徑。
提高催化效率
才能助推光解水制氫走向實用化
氫能是一種清潔無污染的可再生能源，燃燒值很高，可達每千克140兆焦耳，其具有來源豐富、燃燒產物無二次污染等優(yōu)點，有望代替石油和天然氣，因而受到世界范圍的廣泛關注。若能得以大規(guī)模實際應用，將為“雙碳”目標的順利實現作出貢獻。
“目前，制備氫的主要方法有化石燃料制氫和電解水制氫，但兩種方法都需消耗傳統(tǒng)能源。”柳清菊向科技日報記者介紹，化石燃料制氫，二氧化碳排放量大，每生產1千克氫氣，將產生10千克左右的二氧化碳;而電解水制氫也存在能耗和成本問題。“在環(huán)境和能源問題日益嚴重的今天，開發(fā)清潔、可持續(xù)、低成本的制氫技術，推進氫能的發(fā)展顯得尤為迫切和重要。”柳清菊說，采用光催化技術，利用太陽能驅動水分解制氫是一種極具發(fā)展前途的新方法。
自1972年科學家發(fā)現二氧化鈦半導體具有光催化性能以來，光解水制氫一直受到學術界及產業(yè)界的關注與重視。在能量大于或等于半導體禁帶寬度的光照射下，光催化材料價帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導帶，形成“電子—空穴”對，空穴和電子遷移到材料表面，與表面吸附的水分子發(fā)生氧化還原反應，也就是電子與水發(fā)生還原反應產生氫氣，空穴氧化水產生氧氣。
然而，由于電子帶負電，空穴帶正電，使得光催化材料中光照所產生的“電子—空穴”很容易復合，導致產氫量子效率低下，嚴重阻礙了光解水制氫的發(fā)展。因此，如何阻止“電子—空穴”的復合，提高光催化制氫效率，成為目前國際上光催化研究領域的重大挑戰(zhàn)之一，也是制約光催化制氫技術實用化的瓶頸難題。
這其中，光催化材料是核心。而光催化材料的活性、穩(wěn)定性和成本是決定光催化技術能否實際應用的關鍵。
銅離子“補位”
新型光催化材料設計制備突破瓶頸
金屬單原子催化劑是近年來迅速發(fā)展起來的新型催化劑。相比傳統(tǒng)金屬催化劑，金屬單原子催化劑中的原子以單個的形式負載在載體上，在催化反應中可充分參與反應，實現反應活性中心的最大化，利用效率可接近100%，在理論上可以同時提高催化活性并降低成本。然而由于單原子具有極高的表面能，在合成和催化反應過程中容易團聚、穩(wěn)定性差、壽命短且制備成本高，阻礙了其實際應用。
“這次起光催化作用的二氧化鈦，是一種鈦和氧規(guī)則排列的晶體，我們通過獨特的合成工藝，在其中生成大量的鈦空位。”柳清菊向記者解釋，有了這些鈦空位，就可以請銅離子來幫忙“補位”。
“通過對鈦基有機框架材料MIL-125中鈦空位的設計和可控合成，我們研制出具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料，以此為載體錨定過渡金屬銅單原子，使銅與二氧化鈦形成了牢固的‘銅—氧—鈦’鍵。”柳清菊介紹，在光催化制氫反應過程中，一價陽離子銅和二價陽離子銅的可逆變化，大大促進了光生“電子—空穴”的分離和傳輸，大幅提高了光生電子的利用率，使產氫量子效率獲得突破，達到56%。這項突破獲得了歐洲科學院院士、倫敦大學學院光催化和材料化學終身教授唐軍旺團隊的驗證。
成本、工藝更“親民”
光解水制氫產業(yè)已初露曙光
新研制的二氧化鈦基光催化材料，具有性能穩(wěn)定、無毒、無二次污染等優(yōu)點，且生物相容性好、制備方法簡單、成本低，與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢明顯。通常含貴金屬的催化劑，催化活性高，但相應的成本也極高。“新材料中，我們用的是‘賤金屬’銅，它儲量大、價格低、易獲得，這是成本降低的第一個方面。” 柳清菊介紹，此外，原有的催化材料中單個金屬原子活性很大，很容易形成團簇，使得催化活性降低。研發(fā)團隊將銅原子牢固地錨定在鈦空位上，不容易團聚，創(chuàng)新性地解決了這個問題，穩(wěn)定時間很長，在常溫常濕條件下，樣品放置380天之久，仍然具有與新制備樣品相當的產氫性能，進一步降低了產氫成本;另外，新型光催化材料制備工藝簡單，無需昂貴的設備，使光催化制氫更加“親民”。
近年來，柳清菊團隊在實驗室進行了大量的基礎研究，包括材料設計、合成工藝、機理研究、性能優(yōu)化等，已獲得穩(wěn)定的高性能光解水制氫光催化材料的實驗室制備工藝，正準備開展放大工藝研發(fā)，為后續(xù)產業(yè)化奠定基礎。雖然傳統(tǒng)的光催化材料成本高、量子效率低，國內光催化產氫市場尚未成熟，但隨著產業(yè)鏈銜接及相關政策的完善，光催化制氫產業(yè)化已是曙光初露。
對柳清菊團隊而言，56%的產氫量子效率也不是終點。“我們還在繼續(xù)努力，使效率進一步提高，如果能夠提高到70%以上，對生產應用的意義將是不言而喻的。”柳清菊說，找準了方向，效率再提升將不是夢。隨著光解水效率進一步提高和成本進一步降低，氫能時代將加速到來，人類也將還地球以綠水青山。
（來源：科技日報）