水變燃料成現實?中國取得光催化分解水製氫研究新突破

2025-04-09 11:36:47 最後更新日期:2025-04-09 11:49:16
諾文

香港輕新聞編輯

2504093中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心實驗室,研究人員在檢測改造後的半導體光催化材料二氧化鈦樣本(《新華社》圖片)

中國科研團隊近期在「光分解水制氫」領域取得突破性進展,通過對半導體光催化材料二氧化鈦進行「結構整容」和「元素替代」,顯著提升通過陽光直接分解水獲取氫氣的效率,令水變燃料變為現實,相關成果論文於4月8日於《美國化學學會雜誌》發表。

水變燃料科幻預言逐步成現實

科幻大師儒勒·凡爾納(Jules Gabriel Verne)在150年前曾預言﹕「水將成為未來的終極燃料」。而今透過科學家的努力,這個幻想逐步變為現實。中國科學院金屬研究所所長、研究團隊負責人劉崗表示,中國科研團隊近期在「光分解水制氫」領域取得突破性進展,顯著提升通過陽光直接分解水獲取氫氣的效率,相關成果論文於4月8日於《美國化學學會雜誌》發表。

目前太陽能製氫主要有兩種方式:一是通過太陽能電池發電再電解水,其效率高但設備複雜且昂貴;二是太陽光直接光解水:通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下「一鍵分解」水分子。劉崗團隊主要聚焦第二種技術路線。劉崗指,用傳統二氧化鈦分解水有嚴重障礙:當光線照射到二氧化鈦時,其內部會產生帶電粒子(電子和空穴),這些帶電粒子就是分解水的「工具」。然而,這些被激活的電子和空穴並不穩定。

電子和空穴就像迷失方向的賽車,在如同迷宮的材料內部橫衝直撞,絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒內就會複合湮滅。此外,高溫製備環境容易導致氧原子「離家出走」,形成氧空位並捕獲電子,這些都大大降低了光催化反應的效率。

產氫效率較同類材料高十五倍

研究團隊創造性地引入鈦在元素周期表中的鄰居——鈧(Sc)元素對二氧化鈦進行改造。經驗證,鈧元素具備三大優勢:一是鈧離子半徑與鈦相近,能完美嵌入其晶格而不造成結構變形;二是鈧的穩定價態恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡;三是鈧離子能重構晶體表面,產生特定的晶面結構,就像架起「電荷高速公路和立交橋」,讓電子和空穴順利跑出迷宮。

通過精密調控,團隊成功研製出性能顯著提升的二氧化鈦材料,其紫外線利用率突破30%,模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升15倍,創造了該材料體系的新紀錄。劉崗表示:「若用這種材料製作1平方米的光催化板,在陽光照射下每天能產生約10升的氫氣。」

中國具有光催化材料產業優勢

科研人員介紹,二氧化鈦作為一種工業用途廣泛的無機材料,中國產能佔全球50%以上,已形成完整的產業鏈,而稀土鈧的儲量中國也位居世界前列,對於後續光催化材料的發展及工業應用具有得天獨厚的產業優勢。光催化分解水效率進一步突破後將有望實現產業應用,推動能源結構升級。

發佈於 科學新知
By 2025-04-09

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