“點水成氫”！太陽能制氫關鍵一步被突破

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本報瀋陽4月9日電（記者鄒曉菁、劉勇） 把水變成清潔能源“氫燃料”，只需陽光照射？這個曾經的科學設想，正被科研人員一步步變為現實。日前，中國科學院金屬研究所劉崗研究員團隊在光催化分解水制氫領域取得重要突破，通過稀土鈧摻雜技術，成功將二氧化鈦的紫外光解水制氫效率提升15倍。這一成果為太陽能大規模製氫提供了新材料方案，相關研究成果8日發表於《美國化學會會刊》。

150年前，科幻作家凡爾納曾預言“水將成為終極燃料”。科學家們一直努力發展能將這個預言變為現實的各種可能的技術，其中包括通過陽光直接分解水獲取氫氣。與傳統的“太陽能發電+電解水”制氫相比，光催化分解水能直接用陽光“一鍵產氫”，設備簡單且成本低廉。然而，自1972年發現二氧化鈦的光解水特性以來，如何阻止光生電荷快速複合一直是世界性難題——就像一場在迷宮中進行的賽車，絕大多數電子還未抵達終點就已湮滅。

研究團隊創新性地選用稀土元素鈧作為“改造工程師”，通過其獨特的原子排布能力，在二氧化鈦表面構建出兩條“電荷高速公路”：{101}晶面專供空穴通行，{110}晶面則負責電子運輸。實驗顯示，摻雜5%鈧的二氧化鈦不僅消除了材料內部的電荷陷阱，還形成了強度達1kV/cm的定向電場，使光生電荷分離效率提升200倍，對紫外光的量子效率突破30%。

“這相當於在數百納米大小的二氧化鈦顆粒裏架起了立交橋。”劉崗解釋，若將新材料製成1平方米的光催化材料面板，每日太陽光照可產生約10升的氫氣。但他也坦言：“這只是‘半場勝利’，目前我們只是利用了佔太陽光5%的紫外光，如何用好佔43%的可見光是我們的下一個攻關方向。”

“這項研究為設計高效光催化材料提供了新思路，隨着效率進一步提升，太陽能光解水制氫有望成為綠色能源體系的重要拼圖。”劉崗展望。