最強光催化劑“出手”“水變氫”功率改写国际紀錄

  雲南大學柳清菊教授團隊與英國倫敦大學學院唐軍旺教授團隊、華東師范大學黃榮教授團隊协作，以單原子銅錨定二氧化鈦，成功制備新式光催化劑，其分化水制氫量子功率高達56%。這意味著“水變氫”有了一條可實用化的新路徑。

  在太陽光或一縷LED紫外光照顾下，玻璃燒杯中参加一點點白色粉末，無須加熱也無須其他动力，燒杯裡的水便可源源不絕產生氫氣，且經過數百小時的實驗，這種白色粉末的量並未衰減。在雲南大學资料與动力學院實驗室，你能見到這樣的“奇觀”。

  在碳達峰、碳中和布景下，潔淨的氫成為未來的重要动力，高效、低本钱制氫，特別是光解水制氫是科學家研讨的方向。1月10日，國際闻名期刊《天然·通訊》發表了雲南大學柳清菊教授團隊與英國倫敦大學學院唐軍旺教授團隊、華東師范大學黃榮教授團隊协作的一項重要研讨成果——以單原子銅錨定二氧化鈦，成功制備新式光催化劑，其分化水制氫量子功率高達56%，被審稿人稱為“国际紀錄”。這意味著“水變氫”有了一條可實用化的新路徑。

  氫能是一種清潔無污染的可再次出产的动力，燃燒值很高，可達每千克140兆焦耳，其具有來源豐富、燃燒產物無二次污染等優點，有望替代石油和天然氣，因而遭到国际范圍的廣泛關注。若能得以大規模實際應用，將為“雙碳”目標的順利實現作出貢獻。

  “现在，制備氫的首要办法有化石燃料制氫和電解水制氫，但兩種办法都需耗费傳統动力。”柳清菊向科技日報記者介紹，化石燃料制氫，二氧化碳排放量大，每生產1千克氫氣，將產生10千克左右的二氧化碳﹔而電解水制氫也存在能耗和本钱問題。“在環境和动力問題日益嚴重的今日，開發清潔、可持續、低本钱的制氫技術，推進氫能的發展顯得尤為火急和重要。”柳清菊說，採用光催化技術，使用太陽能驅動水分化制氫是一種極具發展出路的新办法。

  自1972年科學家發現二氧化鈦半導體具有光催化功能以來，光解水制氫一向遭到學術界及產業界的關注與重視。在能量大於或等於半導體禁帶寬度的光照射下，光催化资料價帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導帶，构成“電子—空穴”對，空穴和電子遷移到资料外表，與外表吸附的水分子發生氧化還原反應，也便是電子與水發生還原反應產生氫氣，空穴氧化水產生氧氣。

  但是，由於電子帶負電，空穴帶正電，使得光催化资猜中光照所產生的“電子—空穴”很简单復合，導致產氫量子功率低下，嚴重阻礙了光解水制氫的發展。因而，怎样阻挠“電子—空穴”的復合，进步光催化制氫功率，成為现在國際上光催化研讨領域的严重挑戰之一，也是制約光催化制氫技術實用化的瓶頸難題。

  這其间，光催化资料是中心。而光催化资料的活性、穩定性和本钱是決定光催化技術能否實際應用的關鍵。

  金屬單原子催化劑是近年來敏捷發展起來的新式催化劑。比较傳統金屬催化劑，金屬單原子催化劑中的原子以單個的方式負載在載體上，在催化反應中可充沛參與反應，實現反應活性中心的最大化，使用功率可接近100%，有理論上能够同時进步催化活性並削减相关本钱。但是由於單原子具有極高的外表能，在组成和催化反應過程中简单團聚、穩定性差、壽命短且制備本钱高，阻礙了其實際應用。

  “這次起光催化效果的二氧化鈦，是一種鈦和氧規則摆放的晶體，我們通過獨特的组成工藝，在其间生成很多的鈦空位。”柳清菊向記者解釋，有了這些鈦空位，就能够請銅離子來幫忙“補位”。

  “通過對鈦基有機结构资料MIL-125中鈦空位的設計和可控组成，我們研发出具有大比外表積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米资料，以此為載體錨定過渡金屬銅單原子，使銅與二氧化鈦构成了结实的‘銅—氧—鈦’鍵。”柳清菊介紹，在光催化制氫反應過程中，一價陽離子銅和二價陽離子銅的可逆變化，大大促進了光生“電子—空穴”的分離和傳輸，大幅度进步了光生電子的使用率，使產氫量子功率獲得打破，達到56%。這項打破獲得了歐洲科學院院士、倫敦大學學院光催化和资料化學終身教授唐軍旺團隊的驗証。

  新研发的二氧化鈦基光催化资料，具有功能穩定、無毒、無二次污染等優點，且生物相容性好、制備办法簡單、本钱低，與傳統办法比较優勢明顯。一般含貴金屬的催化劑，催化活性高，但相應的本钱也極高。“新资猜中，我們用的是‘賤金屬’銅，它儲量大、價格低、易獲得，這是本钱下降的榜首個方面。” 柳清菊介紹，此外，原有的催化资猜中單個金屬原子活性很大，很简单构成團簇，使得催化活性下降。研發團隊將銅原子结实地錨定在鈦空位上，不简单團聚，創新性地解決了這個問題，穩定時間很長，在常溫常濕條件下，樣品放置380天之久，依然具有與新制備樣品相當的產氫功能，進一步下降了產氫本钱﹔别的，新式光催化资料制備工藝簡單，無需昂貴的設備，使光催化制氫愈加“親民”。

  近年來，柳清菊團隊在實驗室進行了很多的基礎研讨，包含资料設計、组成工藝、機理研讨、功能優化等，已獲得穩定的高功能光解水制氫光催化资料的實驗室制備工藝，正准備開展放大工藝研發，為后續產業化奠定基礎。雖然傳統的光催化资料本钱高、量子功率低，國內光催化產氫市場没有老练，但隨著產業鏈銜接及相關方针的完善，光催化制氫產業化已是曙光初露。

  對柳清菊團隊而言，56%的產氫量子功率也不是終點。“我們還在繼續尽力，使功率進一步进步，如果能夠进步到70%以上，對生產應用的意義將是显而易见的。”柳清菊說，找准了方向，功率再进步將不是夢。隨著光解水功率進一步进步和本钱進一步下降，氫能時代將加快到來，人類也將還地球以綠水青山。（記者 趙漢斌）

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