在“氢农场”捕获太阳能“收割”氢气

氢农场策略规模化太阳能分解水制氢。

欧洲一家氢气生产企业2月1日发布消息说，该公司位于德国下萨克森州港口城市布拉克的绿氢工厂正式开工建设。这是德国北部地区首座商用绿氢工厂。该工厂建成后每年可生产1150吨绿氢。

绿氢是指通过太阳能、风能等可再生能源制造的氢气，被视为最具发展潜力的清洁能源之一。地球上的风能、水能、生物质能等都来自太阳能，若能利用不到0.02%的太阳能，便可满足人类全年的能源需求。

而太阳能光催化分解水制氢因简单、经济、可规模化、集光能转换与能量存储于一体的特点，被认为是太阳能高效利用的理想途径之一，也是实现“双碳”目标的有效途径。

光能可转化为氢能

自20世纪70年代日本科学家在二氧化钛电极上发现了光照促进水分解现象以来，依托半导体催化剂的光催化分解水研究，引起世界各国科学家越来越多的关注。水分解产生氢气和氧气在热力学上是一个吉布斯自由能变化大于零（237千焦/摩尔）的非自发反应。

在光的作用下，该反应可在室温下进行，因此太阳能光催化分解水制氢是将太阳能转化为化学能的能量储存过程。

首次观测到纳米颗粒光生电荷转移过程

光催化研究是涉及化学、物理、材料、生物、能源与环境等多学科交叉的前沿新兴领域。根据光催化体系的基本过程，光催化分解水反应中太阳能利用效率由半导体光催化剂的光吸收效率、光生电荷分离与转移效率和表面催化反应效率的乘积共同决定。3个效率中，光吸收效率相对独立，可以通过能带结构调控缩小半导体的禁带宽度来提高吸光效率。而电荷分离与转移效率和表面催化反应效率相互关联、相互制约，特别是光生电荷分离与转移过程，是太阳能光催化分解水研究中最重要、最核心的科学问题。

经过20多年潜心研究，我们的研究团队先后在国际上提出了异相结、双功能助催化剂、晶面间光生电荷分离等新概念，显著促进了光生电荷的快速分离与迁移。这些策略在太阳能光催化分解水研究中已被广泛应用。此外，我们的研究团队最近综合集成多种可在时空尺度衔接的技术，首次在时空全域观测到光生电荷在纳米颗粒中分离和转移演化的全过程，为高效太阳能转化体系构筑提供了科学基础。

氢农场策略可规模化分解水制氢

光催化分解水制氢因其工艺简单、易操作，以及理论投资成本低等优点，被认为是未来实现规模化太阳能制氢有前景的途径之一。但是，目前的光催化分解水体系中存在着氢气与氧气分离成本高、分离不彻底等问题，仍然存在着很大的安全隐患，且太阳能到氢能转化效率仍不足1.0%。受自然光合作用原理的启发，我们的研究团队提出了基于粉末光催化剂的规模化太阳能分解水制氢的“氢农场策略”。

氢农场策略将水氧化反应与质子还原反应在空间上进行分离，避免了氢气和氧气的逆反应和氢氧分离等问题，且反应器无需密封，原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。由于该策略类似于在农场中大规模种植庄稼，待庄稼成熟后集中收割粮食，故称之为氢农场策略。

该策略中以BiVO4（一种化合物，钒酸铋）作为产氧光催化剂，太阳能到氢能转化效率可达1.8%，相比之前报道的大多数粉末纳米颗粒光催化剂有了数量级的提升，让人们对未来太阳能光催化分解水制氢的规模化应用看到了希望。

（石明系中国科学院大连化学物理研究所副研究员，李灿系中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员）

在“氢农场”捕获太阳能 “收割”氢气

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