新型光解水催化材料產氫效率提升15倍

科技日報北京4月8日電 （記者陸成寬）光解水制氫迎來新突破。記者從中國科學院金屬研究所獲悉，我國科研人員利用稀土元素鈧對光催化分解水的催化材料進行改造，成功製備出新型光解水催化材料——金紅石相二氧化鈦，在模擬太陽光下，其產氫效率比已報道的二氧化鈦高出15倍，創造了該材料體系的新紀錄。如果將該材料製作成100平方米的光催化板，一天光照時間產生的氫氣，可以驅動一輛氫能汽車行駛68公里。相關研究成果8日發表在《美國化學學會雜誌》上。

一個多世紀前，科幻作家凡爾納就預言“水將成為終極燃料”。為實現這個設想，科學家正在研究用陽光將水分解獲取氫氣的技術，即光催化分解水技術。

目前，太陽能制氫主要有兩大招：第一招是太陽能發電再電解水，這種方法雖然效率高，但設備又複雜又燒錢；第二招是讓陽光直接分解水，用二氧化鈦等材料當“分解神器”，陽光下就能把水分子“一鍵拆解”。自1972年這項技術問世，光解水就成了能源界的“頂流明星”。

作為一種光解水催化材料，二氧化鈦“身上”佈滿數以億計的“能量接收站”。每個接收站由鈦原子和氧原子精密排布構成，當光子撞擊接收站時，就會激發出攜帶能量的電子—空穴對。

在這項研究中，科研人員在二氧化鈦裏混入5%的稀土元素——鈧，製備出了由兩種晶面組成的金紅石相二氧化鈦。“這兩個晶面就像精心設計的‘電荷高速公路’：一個晶面專門收集電子，另一個則負責接收空穴。”論文通訊作者、中國科學院金屬研究所研究員劉崗説，與已報道的二氧化鈦材料相比，金紅石相二氧化鈦的光生電荷分離效率提升了200餘倍。

劉崗表示，用二氧化鈦實現高效光解水制氫一直被寄予厚望，但長期未有實質性的突破，這項研究成果必將加速氧化鈦光解水研究的進程。更重要的是，新研製的稀土摻雜二氧化鈦，能充分發揮我國的鈦和鈧的資源優勢，給高值資源再賦能。