水变燃料？中国利用光分解水制氢研究取得新突破
150年前，科幻大师儒勒·凡尔纳曾预言：水将成为未来的终极燃料。如今，科学家们正努力将这个幻想变为现实。
中国科学院金属研究所所长、研究团队负责人刘岗表示，中国科研团队近期在“光催化分解水制氢”领域取得突破性进展：通过对半导体光催化材料二氧化钛进行“结构整容”和“元素替代”，显著提升了通过阳光直接分解水获取氢气的效率。相关成果于4月8日发表在《美国化学学会杂志》上。
目前太阳能制氢主要有两种方式：一是通过太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；二是太阳光直接光解水：通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。刘岗团队主要聚焦第二种技术路线。
据介绍，用传统二氧化钛分解水有严重障碍：当光线照射到二氧化钛时，其内部会产生带电粒子（电子和空穴），这些带电粒子就是分解水的“工具”。然而，这些被激活的电子和空穴并不稳定。“电子和空穴就像迷失方向的赛车，在如同迷宫的材料内部横冲直撞，绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。此外，高温制备环境容易导致氧原子‘离家出走’，形成氧空位并捕获电子，这些都大大降低了光催化反应的效率。”刘岗说。
研究团队创造性地引入钛在元素周期表中的邻居——钪（Sc）元素对二氧化钛进行改造。经验证，钪元素具备三大优势：一是钪离子半径与钛相近，能完美嵌入其晶格而不造成结构变形；二是钪的稳定价态恰好能中和氧空位带来的电荷失衡；三是钪离子能重构晶体表面，产生特定的晶面结构，就像架起“电荷高速公路和立交桥”，让电子和空穴顺利跑出迷宫。
通过精密调控，团队成功研制出性能显著提升的二氧化钛材料，其紫外线利用率突破30%，模拟太阳光下产氢效率较同类材料提升15倍，创造了该材料体系的新纪录。刘岗表示：“若用这种材料制作1平方米的光催化板，在阳光照射下每天能产生约10升的氢气。”
科研人员介绍，二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，中国产能占全球50%以上，已形成完整的产业链，而稀土钪的储量中国也位居世界前列，对于后续光催化材料的发展及工业应用具有得天独厚的产业优势。光催化分解水效率进一步突破后将有望实现产业应用，推动能源结构升级。
150年前，科幻大师儒勒·凡尔纳曾预言：水将成为未来的终极燃料。如今，科学家们正努力将这个幻想变为现实。
中国科学院金属研究所所长、研究团队负责人刘岗表示，中国科研团队近期在“光催化分解水制氢”领域取得突破性进展：通过对半导体光催化材料二氧化钛进行“结构整容”和“元素替代”，显著提升了通过阳光直接分解水获取氢气的效率。相关成果于4月8日发表在《美国化学学会杂志》上。
目前太阳能制氢主要有两种方式：一是通过太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；二是太阳光直接光解水：通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。刘岗团队主要聚焦第二种技术路线。
据介绍，用传统二氧化钛分解水有严重障碍：当光线照射到二氧化钛时，其内部会产生带电粒子（电子和空穴），这些带电粒子就是分解水的“工具”。然而，这些被激活的电子和空穴并不稳定。“电子和空穴就像迷失方向的赛车，在如同迷宫的材料内部横冲直撞，绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。此外，高温制备环境容易导致氧原子‘离家出走’，形成氧空位并捕获电子，这些都大大降低了光催化反应的效率。”刘岗说。
研究团队创造性地引入钛在元素周期表中的邻居——钪（Sc）元素对二氧化钛进行改造。经验证，钪元素具备三大优势：一是钪离子半径与钛相近，能完美嵌入其晶格而不造成结构变形；二是钪的稳定价态恰好能中和氧空位带来的电荷失衡；三是钪离子能重构晶体表面，产生特定的晶面结构，就像架起“电荷高速公路和立交桥”，让电子和空穴顺利跑出迷宫。
通过精密调控，团队成功研制出性能显著提升的二氧化钛材料，其紫外线利用率突破30%，模拟太阳光下产氢效率较同类材料提升15倍，创造了该材料体系的新纪录。刘岗表示：“若用这种材料制作1平方米的光催化板，在阳光照射下每天能产生约10升的氢气。”
科研人员介绍，二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，中国产能占全球50%以上，已形成完整的产业链，而稀土钪的储量中国也位居世界前列，对于后续光催化材料的发展及工业应用具有得天独厚的产业优势。光催化分解水效率进一步突破后将有望实现产业应用，推动能源结构升级。
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