中国科学院大连化学物理研究所最近提出并验证了一种“氢农场”策略,实现了太阳能到氢能的转化效率超过1.8%——这是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系、太阳能制氢效率的最高值。该研究为人类开发新的能源又提出了全新策略。

  全新的“氢农场”策略

  石油等不可再生性能源的日渐枯竭,让人类面临能源、资源和环境危机的严峻挑战。氢能作为一种无污染的能源,被公认为是人类未来可以获取的能源之一。

  制氢的方法有很多种,目前工业上主要有水电解法和甲醇蒸气转化制氢法等。而以太阳能光催化、分解水来制氢的方式,可将太阳能转化并储存为化学能,这是科学家们长期以来的梦想。

  由此,也催生了“氢农场”的概念:“氢农场”其实就是指如何实现在大范围内进行氢气生产、储存和利用。

  最近,来自中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室李灿、李仁贵等科研人员,在太阳能可规模化分解水制氢方面取得新进展:他们率先提出并验证了一种全新的基于粉末纳米颗粒光的催化剂、利用太阳能分解水制氢的“氢农场”策略。研究成果已发表在《德国应用化学》上。

  光催化过程是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程,涉及化学、物理、生物等一系列多学科前沿科学问题。如果能利用太阳能实现高效水分解制氢,不仅可缓解人类能源的问题,还有望替代化石能源,实现能源可持续发展和人类社会生态文明。

  李灿团队是国内最早启动太阳能光催化分解水制氢研究的团队之一,尤其在基于粉末纳米颗粒光催化剂体系的光生电荷分离等关键科学问题研究上,取得过系列进展,受到国际太阳能光催化界的广泛关注。

  受自然光合作用原理启发,该团队鉴大规模种植庄稼的做法,率先提出并验证了基于粉末纳米粒子光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略。

  太阳能到氢能转化效率可超过1.8%

  这是一种不同于国际上已有报道的全新策略。操作过程中,它不仅避免了氢气和氧气的逆反应。水氧化反应器开放,从原理上也解决了大规模应用的技术瓶颈。

  而实现这个“氢农场”策略需要解决两个关键问题:一是如何实现高效水氧化光催化过程,二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态物质之间的反应(即逆反应)。

  最近,研究团队基于晶面间光生电荷分离原理,通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例,优化光催化水氧化反应性能,在Fe3+/Fe2+离子对作为储能介质的条件下,实现可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上,使“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率可超过1.8%——这是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。

  这研究结果验证了“氢农场”策略的可行性。该工作也成为利用基础研究成果为应用示范提供科学基础的一个示例。