太陽(yáng)能光催化分解水制氫可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能，是科學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)高效水分解制氫，不僅可以緩解人類能源的問(wèn)題，還有望替代化石能源并可能改變世界能源格局。

然而，光催化過(guò)程又是一個(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、生物等多學(xué)科的前沿科學(xué)。記者今天從中科院大連化學(xué)物理所獲悉，該所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽(yáng)能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進(jìn)展，率先提出并驗(yàn)證了一種全新的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略。該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽(yáng)能分解水制氫，太陽(yáng)能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國(guó)際最高記錄。該研究成果日前發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

受自然光合作用原理啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)借鑒大規(guī)模種植莊稼的做法，率先提出并驗(yàn)證了基于粉末納米顆粒光催化劑的太陽(yáng)能規(guī)模化分解水制氫的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略，這是一種不同于國(guó)際上報(bào)道的全新策略。而該策略的實(shí)現(xiàn)需要解決兩大關(guān)鍵問(wèn)題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效光催化水氧化儲(chǔ)存太陽(yáng)能過(guò)程，二是如何抑制納米顆粒光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì)之間的反應(yīng)(即逆反應(yīng))。

中科院大化所李仁貴研究員介紹，“氫農(nóng)場(chǎng)”策略是借鑒自然光合作用中光系統(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，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。

此外，研究團(tuán)隊(duì)基于晶面間光生電荷分離原理，通過(guò)精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例，使光催化水氧化反應(yīng)性能得到優(yōu)化，在Fe3+/Fe2+離子對(duì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的條件下，可見(jiàn)光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“氫農(nóng)場(chǎng)”體系的太陽(yáng)能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過(guò)1.8%，這也是目前國(guó)際上報(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。同時(shí)，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性以及戶外太陽(yáng)光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“氫農(nóng)場(chǎng)”策略的可行性，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)。

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