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近日，新加坡國(guó)立大學(xué)（NUS）的一組研究人員提交了一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，這可能會(huì)徹底改變分解水制氫的方式。而這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)來(lái)自于一次意外。

目前制氫除了工業(yè)副產(chǎn)氫等來(lái)源，通過(guò)各種可再生能源制氫都需要用到能源，而這些能源本身都是人工費(fèi)心費(fèi)力制造出來(lái)的。這種制氫方式一直遭受對(duì)氫能源持抨擊態(tài)度的人的指責(zé)。既然地球的氫含量很大，那么有沒(méi)有一種方法讓氫自動(dòng)從氫化合物，尤其是水中跑出來(lái)，自動(dòng)逸出，并被完美收集？

這種探索從上世紀(jì)就開始了。即使不使用人工制造的可再生能源，要讓氫從水中逸出，還是得有能量，無(wú)疑利用太陽(yáng)光是最容易想到的路線。但即使有太陽(yáng)光，它可無(wú)法像蒸發(fā)水分一樣打斷氫原子和氧原子之間的鏈接，這中間還需要催化劑。人們?cè)谔?yáng)光利用和催化劑研究方向上想了很多轍。

今年以來(lái)，這一技術(shù)產(chǎn)生了很大的進(jìn)展。

中國(guó)：獲得科研重大進(jìn)展

雖然在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)的光催化研究中，人們已經(jīng)在光催化劑制備和光催化反應(yīng)研究方面做出了巨大的努力，但由于光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性，人們對(duì)該過(guò)程的基本機(jī)制一直不清楚。

日前，這個(gè)謎團(tuán)被中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、范峰滔研究員等揭開了。研究人員對(duì)光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行全時(shí)空探測(cè)，“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空影像。相關(guān)研究成果已于10月12日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

目前，光催化分解水研究大多集中在篩選光催化材料和優(yōu)化器件工藝上，光生電荷動(dòng)力學(xué)等研究相對(duì)薄弱，重大科學(xué)問(wèn)題尚未解決。李燦說(shuō)，光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸。由于這一過(guò)程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度，揭開全過(guò)程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。

范峰滔基于血管成像介入手術(shù)的啟發(fā)，卻定了光催化成像的研究方向。通過(guò)集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬，包括時(shí)間分辨光發(fā)射顯微鏡（飛秒到納秒）、瞬態(tài)表面光電壓光譜（納秒到微秒）和表面光電壓顯微鏡（微秒到秒）等，像接力賽一樣，首次在一個(gè)光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個(gè)機(jī)制。“這為理性設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法。”

日本：光觸媒技術(shù)正在成熟中

去年11月，日本的研究團(tuán)隊(duì)成功利用陽(yáng)光照射從水中分解出氧與氫的“光觸媒”作用，在氫能方面有了革命性的突破。在100平方米的大范圍試驗(yàn)中，成功分離出高純度氫。這一實(shí)驗(yàn)的成功有助于大量且低成本的制造氫的技術(shù)，標(biāo)志著日本實(shí)現(xiàn)了全球首例太光大規(guī)模制氫。

目前日本茨城縣中部農(nóng)村的大片山丘，已經(jīng)樹立了很多光觸媒板，達(dá)到100平方米，仔細(xì)觀察其內(nèi)部，會(huì)看到像碳酸飲料那樣不斷冒出小小的氣泡。該實(shí)驗(yàn)由東京大學(xué)特聘教授堂免一成、三菱化工、INPEX等的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)施，描繪出在沙漠中建設(shè)“氫工廠”的遠(yuǎn)景。

這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是提高能源轉(zhuǎn)換效率，即把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成氫能源的效率。要投入商用，估計(jì)要達(dá)到10%的能源轉(zhuǎn)換效率。不過(guò)但茨城縣的研究顯示，即使在夏天，平均的轉(zhuǎn)換效率也還不到1%。但是在100平米的范圍內(nèi)試驗(yàn)還是第一次。

豐田汽車集團(tuán)豐田中央研究所今年4月宣布，研發(fā)出轉(zhuǎn)換效率為7.2%的人工光合成裝置。雖然是室內(nèi)的試驗(yàn)，但光觸媒板被擴(kuò)大到了36厘米見(jiàn)方。

新加坡：無(wú)意中的大發(fā)現(xiàn)

新加坡國(guó)立大學(xué)設(shè)計(jì)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系的研究小組發(fā)現(xiàn)，光可以在一種廣泛用于水電解的催化材料中觸發(fā)一種新的機(jī)制，在這種材料中，水被分解成氫和氧。其結(jié)果是一種更節(jié)能的獲取氫的方法。

研究人員說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)電催化反應(yīng)的氧化還原中心由光觸發(fā)，在金屬和氧之間切換，這大大提高了水電解效率。”

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)開辟新的、更有效的工業(yè)方法來(lái)生產(chǎn)氫氣，并將這種環(huán)保的燃料來(lái)源提供給更多的人和行業(yè)。該研究小組發(fā)表在《自然》雜志上的一篇研究論文中詳細(xì)闡述了他們的發(fā)現(xiàn)。

在正常情況下，研究團(tuán)隊(duì)可能不會(huì)遇到這樣一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)。但近三年前，他實(shí)驗(yàn)室的照明意外斷電，讓他們得以觀察到與光有關(guān)的催化電解水機(jī)制。

通常，他們的研究實(shí)驗(yàn)室的頂燈通常會(huì)24小時(shí)開著。但在2019年的一個(gè)晚上，由于停電，燈熄滅了。當(dāng)研究人員第二天回到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在黑暗中繼續(xù)進(jìn)行的水電解實(shí)驗(yàn)中，一種基于氫氧化鎳的材料的性能急劇下降。

研究人員說(shuō)：“性能下降，以前沒(méi)有人注意到，因?yàn)閺膩?lái)沒(méi)有人在黑暗中做過(guò)實(shí)驗(yàn)。”。“此外，文獻(xiàn)表明，這種材料不應(yīng)對(duì)光敏感；光不應(yīng)對(duì)其性能產(chǎn)生任何影響。”

為了確定他們即將發(fā)現(xiàn)突破性的東西，研究小組進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。他們深入研究了這種現(xiàn)象背后的機(jī)制。他們甚至在新加坡以外的地方重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，以確保他們的發(fā)現(xiàn)是一致的。

三年后，該研究小組終于能夠在一篇論文中公開分享他們的發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)目前正在設(shè)計(jì)一種新的方法來(lái)改進(jìn)生產(chǎn)氫氣的工業(yè)流程。研究人員建議讓含有水的電池制成透明的，這樣就可以在水分解過(guò)程中引入光線。這會(huì)使得電解過(guò)程可以在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生更多的氫氣，消耗更少的能量。

按照經(jīng)濟(jì)上的評(píng)估，利用太陽(yáng)光制氫效率達(dá)到5%就可以進(jìn)行工業(yè)化中試，效率如果達(dá)到10%，就和最便宜的化石資源制氫成本相近。未來(lái)，這個(gè)成果有望促進(jìn)太陽(yáng)能光催化分解水制取太陽(yáng)燃料的應(yīng)用，為人類生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。 

原標(biāo)題：這種制氫新技術(shù)轉(zhuǎn)換效率只有1%，商業(yè)化之路很漫長(zhǎng)！