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太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuǎn)化并儲存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長期以來的夢想。近日，大連化學(xué)物理研究所李燦院士、李仁貴研究員等人在太陽能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進(jìn)展：提出并驗(yàn)證了一種全新的基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫的“氫農(nóng)場”策略，太陽能光催化分解水制氫效率創(chuàng)國際紀(jì)錄。研究成果以“基于納米顆粒光催化劑規(guī)模化制氫的一種氫農(nóng)場策略（A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts）”為題，發(fā)表在2020年3月17日《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202001438）上。

李燦院士研究團(tuán)隊(duì)自2001年起致力于太陽能光催化相關(guān)的前沿科學(xué)問題研究，是國內(nèi)啟動太陽能光催化分解水制氫研究的團(tuán)隊(duì)之一。在國家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目及面上基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號：、21633010、 ）等項(xiàng)目的支持下，在人工光合成體系的光生電荷分離等關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題研究上取得了系列重要進(jìn)展，先后提出異相結(jié)電荷分離機(jī)制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008；Angew. Chem. Int. Ed., 2012）、發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)（Nature Commun. 2013；Energy Environ. Sci. 2014）、發(fā)展了高對稱性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離（Energy Environ. Sci. 2016）和極性誘導(dǎo)的光生電荷分離新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2020），并自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)并確認(rèn)了晶面間光生電荷的分離（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018）等，受到國際太陽能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chǔ)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)一直在探索太陽能分解水制氫規(guī)模化應(yīng)用的示范。

該團(tuán)隊(duì)受自然光合作用原理啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)借鑒農(nóng)場大規(guī)模種植莊稼的思路，提出了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽能規(guī)模化分解水制氫的“氫農(nóng)場”（Hydrogen Farm Project, HFP）策略（見圖），是一種不同于國際上報(bào)道的全新的策略。“氫農(nóng)場” 策略，是借鑒自然光合作用Z-機(jī)制將光系統(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題，且水氧化反應(yīng)器開放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。實(shí)現(xiàn)“氫農(nóng)場”策略需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效水氧化光催化過程，二是如何抑制納米光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質(zhì)之間的反應(yīng)（即逆反應(yīng)）。最近，該研究團(tuán)隊(duì)正是基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例優(yōu)化光催化水氧化反應(yīng)性能，在Fe³⁺/Fe²⁺離子對作為儲能介質(zhì)的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“氫農(nóng)場”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前國際上報(bào)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值。同時(shí)，利用釩酸鉍光催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe³⁺/Fe²⁺離子對之間的逆反應(yīng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進(jìn)行了戶外太陽光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“氫農(nóng)場”策略的可行性。該工作展示了利用基礎(chǔ)研究成果為應(yīng)用示范提供科學(xué)基礎(chǔ)的一個(gè)示例。

圖 太陽能規(guī)模化分解水制氫的“氫農(nóng)場”策略示意圖