我所提出太陽能規模化分解水制氫的“氫農場”新策略

  近日,催化基礎國家重點實驗室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽能可規模化分解水制氫方面取得新進展:率先提出并驗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“氫農場”策略,太陽能光催化全分解水制氫效率創國際最高記錄。

  太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉化并儲存為化學能,是科學家們長期以來的夢想。光催化過程是一個跨越多個時間尺度的復雜反應過程,涉及化學、物理、生物等一系列多學科前沿科學問題。如果能利用太陽能實現高效水分解制氫,不僅可緩解人類能源的問題,還有望替代化石能源,將有可能改變世界能源格局,從根本上實現能源可持續發展和人類社會生態文明。

  李燦團隊長期致力于太陽能光催化、光電催化及電催化的前沿科學問題,是國內最早啟動太陽能光催化分解水制氫研究的團隊之一。尤其在基于粉末納米顆粒光催化劑體系的光生電荷分離等關鍵科學問題研究上取得了系列重要進展,先后提出異相結電荷分離機制(Angew. Chem. Int. Ed., 2008;Angew. Chem. Int. Ed., 2012),發現晶面間光生電荷分離效應(Nature Commun., 2013;Energy Environ. Sci., 2014),發展了高對稱性半導體材料的光生電荷分離策略(Energy Environ. Sci., 2016)和極性誘導的光生電荷分離新策略(Angew. Chem. Int. Ed., 2020),自主研發了光生電荷成像表征新技術,并確認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注。在基礎研究取得進展的同時,李燦團隊一直在探索太陽能分解水制氫規模化應用的示范。

  受自然光合作用原理啟發,該團隊借鑒大規模種植莊稼的作法,率先提出并驗證了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽能規模化分解水制氫的“氫農場”(Hydrogen Farm Project, HFP)策略,是一種不同于國際上報道的全新的策略。“氫農場”策略,是借鑒自然光合作用Z-機制將光系統II和光系統I在空間上分離以及光反應和暗反應在空間上分離的原理,將分解水反應中的水氧化反應與質子還原反應在空間上分離,避免了氫氣和氧氣的逆反應、規避了產物氫氣和氧氣分離等問題,水氧化反應器開放,原理上解決了大規模應用的技術瓶頸。實現“氫農場”策略需要解決兩個關鍵問題,一是如何實現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和還原態物種之間的反應(即逆反應)。

  最近,研究團隊基于晶面間光生電荷分離原理,通過精確調控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應晶面的暴露比例,優化光催化水氧化反應性能,在Fe3+/Fe2+離子對作為儲能介質的條件下,可見光下光催化水氧化量子效率達到60%以上,“氫農場”體系的太陽能到氫能轉化效率超過1.8%,是目前國際上報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最高值。同時,利用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得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進行了戶外太陽光照射條件下的試驗,驗證了“氫農場”策略的可行性。該工作展示了利用基礎研究成果為應用示范提供科學基礎的一個示例。

  研究成果發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed.)上,第一作者是博士生趙越。該工作得到國家自然科學基金項目、國家科技部973項目、中科院戰略性先導科技專項A“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等的資助。(文/圖 李仁貴、趙越)

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