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。氫氣，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，燃燒產(chǎn)物為水，熱值高，無污染，且地球表面70%都是水源。其中，太陽能光催化分解水技術可把無限的、分散的太陽能轉(zhuǎn)化為高度集中的氫能，因此被認為是實現(xiàn)清潔可持續(xù)氫氣綠色高效生產(chǎn)的重要途徑。
太陽能光催化分解水制氫，將太陽能轉(zhuǎn)化并儲存為化學能，是科學家們長期探索研究的領域。但是，光催化過程是一個跨越多個時間尺度的復雜反應過程，涉及化學、物理、生物等一系列多學科的前沿科研問題。多項研究證明，使用顆粒狀光催化劑進行光催化水分解是大規(guī)模制氫的一種更為經(jīng)濟有效的方法。
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，光催化水分解制氫仍然受制于極低的太陽能轉(zhuǎn)化效率。此外，大多數(shù)研究所報告的可見光響應性顆粒光催化劑必須要在犧牲劑存在下才對析氫或析氧半反應具有活性。因此，迄今為止對于光催化水分解制氫的研究中，最高的太陽能轉(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?；诖?，我們迫切需要開發(fā)新的策略和光催化劑以有效且可擴展地生產(chǎn)太陽能氫。
近日，中科院大連化學物理所催化基礎國家重點實驗室李燦院士、李仁貴等研究人員，創(chuàng)新性地提出并驗證了一種通過氧化還原穿梭離子環(huán)實現(xiàn)太陽能存儲可行的策略。據(jù)稱，該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫，其轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前國際上已知報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值，相關研究成果已發(fā)表于《德國應用化學》期刊。
通過綠色植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，將大氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為植物生長的糖分子，這為大規(guī)模有效地捕獲太陽能提供了研究方向。據(jù)了解，在光系統(tǒng)中進行水氧化反應，在此過程中分子氧得以釋放，同時通過碳水化合物的合成為隨后的能量存儲步驟提供質(zhì)子。
受自然界植物光合作用的啟發(fā)，中科院大連化學物理所研究團隊借鑒自然光合作用Z-機制將光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及光反應和暗反應在空間上分離的原理，將分解水反應中的水氧化反應與質(zhì)子還原反應在空間上分離開來，避免了氫氣和氧氣的逆反應、規(guī)避了產(chǎn)物氫氣和氧氣分離等問題，水氧化反應器開放，原理上解決了大規(guī)模應用的技術“瓶頸”。
由于該方法類似于農(nóng)業(yè)的種植、成熟與收獲過程，因此被命名為“氫農(nóng)場”策略。據(jù)介紹，“氫農(nóng)場”策略包括兩個子系統(tǒng)，即用于太陽能存儲和質(zhì)子生產(chǎn)的高效光催化水氧化，利用質(zhì)子產(chǎn)生氫。
該研究團隊指出，若想順利實現(xiàn)“氫農(nóng)場”策略，需要解決兩個關鍵問題：設計在存在穿梭離子的情況下可有效進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；抑制還原穿梭離子的氧化過程，即抑制穿梭離子之間的逆反應。
基于此，研究團隊采用釩酸鉍晶體充當水氧化光催化劑用以實現(xiàn)用于太陽能存儲和制氫。實驗表明，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。
該研究團隊表示，在戶外日光照射下，通過“氫農(nóng)場”策略儲存太陽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，可以實現(xiàn)超過1.97％的總體太陽能轉(zhuǎn)化率和超過1.85％的太陽能轉(zhuǎn)化率。該項研究工作，為通過使用顆粒光催化劑大規(guī)模收集太陽能和生產(chǎn)太陽能氫提供了一種更實用的策略，為基礎研究成果轉(zhuǎn)化為應用示范提供了科學基礎。
