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近日，中科院大連化物所李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能制氫研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)進(jìn)展。不僅實(shí)現(xiàn)了2.5%的光催化體系世界最高太陽(yáng)能制氫效率，同時(shí)還獲得了穩(wěn)定性最高的Ta3N5太陽(yáng)能光電化學(xué)分解水體系，并在國(guó)際上首次提出光電催化空穴儲(chǔ)存層概念，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。

利用取之不盡的太陽(yáng)能作為制氫的一次能源是理想的能源發(fā)展方向?？茖W(xué)家們通過(guò)光催化和光電催化，利用太陽(yáng)能把水分解為燃料電池所必需的氫和氧。然而，過(guò)去幾十年研究的光催化材料只能利用占太陽(yáng)光總能量4%的紫外光，使太陽(yáng)能制氫的廣泛應(yīng)用受到極大限制。如何發(fā)展穩(wěn)定的可見(jiàn)光光催化材料，使之能充分利用占太陽(yáng)能總能量43%的可見(jiàn)光，成為太陽(yáng)能分解水制氫技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵。

在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目和科技部“973”項(xiàng)目的資助下，通過(guò)多年的持續(xù)攻關(guān)，李燦研究團(tuán)隊(duì)在光催化和光電催化分解水的可見(jiàn)光研究中取得了重要進(jìn)展。他們利用助催化劑修飾的BiVO4作為光陽(yáng)極，在最小偏壓下實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的全分解水反應(yīng)。并將BiVO4光陽(yáng)極與硅疊層光陰極耦合，使太陽(yáng)能制氫效率達(dá)到2.5%以上，這是目前該體系的世界最高效率。

在進(jìn)行太陽(yáng)能光催化分解水研究的同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)也啟動(dòng)了太陽(yáng)能光電催化分解水的研究。要提高太陽(yáng)能制氫效率，必須發(fā)展寬光譜捕光的窄帶隙半導(dǎo)體光陽(yáng)極，其中具有代表性的是窄帶隙半導(dǎo)體Ta3N5材料，其太陽(yáng)能制氫理論效率可達(dá)15%以上，是目前國(guó)際太陽(yáng)能光電催化制氫領(lǐng)域的主攻體系之一。

但這一體系易受光腐蝕，解決其穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)課題。在這項(xiàng)研究工作中，大化所科研人員在光陽(yáng)極表面組裝水鐵石(Fh)層、保持光電催化水氧化高效率前提下，發(fā)現(xiàn)其體系穩(wěn)定性可由幾分鐘延長(zhǎng)至數(shù)小時(shí)，甚至十余小時(shí)后也未見(jiàn)明顯衰退，這是目前世界上報(bào)道的穩(wěn)定性最高的Ta3N5分解水光陽(yáng)極體系。

科研人員進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)，Ta3N5表面Fh層具有電容的空穴儲(chǔ)存能力，可使半導(dǎo)體Ta3N5材料免于光腐蝕氧化，從而使光陽(yáng)極的穩(wěn)定性數(shù)量級(jí)式提高。藉此，李燦院士領(lǐng)導(dǎo)的太陽(yáng)能研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上提出了光電催化空穴儲(chǔ)存層概念，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)筑高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化體系提供了新的思路和策略。

氫能“上位”，技術(shù)是前提

占世界能源供給90%的化石燃料在日益枯竭。同時(shí)，傳統(tǒng)化石能源作燃料造成的全球氣候變暖加速、空氣質(zhì)量下降、環(huán)境污染加劇等問(wèn)題也在日益威脅著人類社會(huì)的生存與發(fā)展。作為一種清潔、高效和資源豐富的新能源，氫能成為未來(lái)最理想的能源。而實(shí)現(xiàn)氫的規(guī)模制備是發(fā)展氫能的前提和基礎(chǔ)。