人工光合制氢技术获重大突破 人工制氢开启能源技术变革

 

 

    氢气能量密度高、清洁环保，燃烧后生成水无任何污染物，是一种理想的能源载体；氢能与现有能源系统匹配和兼容，能方便、高效地转换成电或热，有较高的转化效率；氢还可以转化合成甲醇或氨等大宗化学品，受到工业界极大关注。随着氢能利用技术渐趋成熟，有望取代现有石油经济体系的“氢经济”时代，正在一个又一个相关技术的突破中逐渐向我们靠近。
    最近，《德国应用化学》期刊在线发表了我国科学家与日本科学家合作取得的重大突破——人工光合制氢新技术的效率达到目前世界最高。
    中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、章福祥研究员和博士生陈闪山等与日本东京大学堂免一成（Domen Kazunari）教授课题组合作发现，经一步氮化合成的MgTa2O6 xNy/TaON异质结材料，可有效促进光生电荷分离。基于此异质结材料，他们模拟自然光合作用原理，采用“Z”机制成功实现了完全分解水制氢，其制氢表观量子效率在波长为420纳米可见光激发下高达6.8%，为目前国际上最高。
利用太阳光分解水制氢，长久以来被视为“化学的圣杯”。光催化分解水制氢是从根本上解决能源危机和环境污染的理想途径之一，而宽光谱响应半导体材料的开发与应用是实现太阳能高效光化学转化的前提和基础。此前，李灿院士、章福祥研究员和博士生陈闪山等早就瞄准了具有太阳能应用转化潜力的宽光谱响应半导体材料制氢技术。他们从新型材料的开发入手，通过对系列层状或隧道状宽禁带半导体材料进行掺氮处理，实现了有效的宽光谱吸收和利用，并从实验上证实了该类新型半导体材料具有可见光催化分解水制氢潜力。
    本次研究采用的新型异质结材料，就是该团队在此前自主开发的MgTa2O6 xNy新材料基础上，通过氮化合成策略的创新，成功构筑而成的。
    “研究成果不仅提供了‘异质结’构筑的新方法，打通了从新型材料研发到人工光合全分解水制氢的链条，而且为发展我国自主创新的高效宽光谱可见光人工光合制氢能源变革性技术奠定了基础。”业内专家在评价该成果时说。
    太阳能是最丰富的洁净能源，水是地球上最丰富的自然资源之一。全球每年接受的太阳能辐射总量高达12万太瓦，约为当前全球人类能量消耗总量的近万倍；我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量相当于2万多亿吨标准煤，属于太阳能资源丰富的国家。因此，如果能够通过太阳能光催化分解水制氢，将从根本上解决基于氢能的可持续能源发展问题。该技术一旦突破，将改变世界能源格局，对我国的国家安全、生态文明社会建设和经济社会可持续发展具有不可估量的意义。
    大连化物所是我国最早从事人工光合制氢研究的机构之一。李灿院士团队从2001年启动人工光合制氢研究，在人工光合制氢基础研究方面进行了广泛探索，其研究成果为高效太阳能光-化学转化体系构筑提供了新策略和设计思路，得到了国内外同行专家的广泛关注。