我國科學(xué)家提出太陽能規(guī)�；纸馑茪涞摹皻滢r(nóng)場”策略

太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuǎn)化并儲存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長期以來的夢想。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、李仁貴研究員等人在太陽能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進展：率先提出并驗證了一種全新的基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫的“氫農(nóng)場”策略，太陽能光催化分解水制氫效率創(chuàng)高紀錄。研究成果以“基于納米顆粒光催化劑規(guī)�；茪涞囊环N氫農(nóng)場策略（A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts）”為題，發(fā)表在2020年3月17日《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202001438）上。

李燦院士研究團隊自2001年起致力于太陽能光催化相關(guān)的前沿科學(xué)問題研究，是國內(nèi)早啟動太陽能光催化分解水制氫研究的團隊之一。在國家自然科學(xué)基金委重大項目、重點項目及面上基金（項目批準(zhǔn)號：21090340、21633010、 21673230）等項目的支持下，在人工光合成體系的光生電荷分離等關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題研究上取得了系列重要進展，先后提出異相結(jié)電荷分離機制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008；Angew. Chem. Int. Ed., 2012）、發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yīng)（Nature Commun. 2013；Energy Environ. Sci. 2014）、發(fā)展了高對稱性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離（Energy Environ. Sci. 2016）和性誘導(dǎo)的光生電荷分離新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2020），并自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)并確認了晶面間光生電荷的分離（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018）等，受到太陽能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chǔ)研究取得進展的同時，該研究團隊一直在探索太陽能分解水制氫規(guī)模化應(yīng)用的示范。

該團隊受自然光合作用原理啟發(fā)，該團隊借鑒農(nóng)場大規(guī)模種植莊稼的思路，率先提出了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽能規(guī)�；纸馑茪涞�“氫農(nóng)場”（Hydrogen Farm Project, HFP）策略（見圖），是一種不同于上報道的全新的策略。“氫農(nóng)場” 策略，是借鑒自然光合作用Z-機制將光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及光反應(yīng)和暗反應(yīng)在空間上分離的原理，將分解水反應(yīng)中的水氧化反應(yīng)與質(zhì)子還原反應(yīng)在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應(yīng)、規(guī)避了產(chǎn)物氫氣和氧氣分離等問題，且水氧化反應(yīng)器開放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。實現(xiàn)“氫農(nóng)場”策略需要解決兩個關(guān)鍵問題，一是如何實現(xiàn)高效水氧化光催化過程，二是如何抑制納米光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質(zhì)之間的反應(yīng)（即逆反應(yīng)）。近，該研究團隊正是基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yīng)晶面的暴露比例優(yōu)化光催化水氧化反應(yīng)性能，在Fe³⁺/Fe²⁺離子對作為儲能介質(zhì)的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達到60%以上，“氫農(nóng)場”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前上報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的高值。同時，利用釩酸鉍光催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe³⁺/Fe²⁺離子對之間的逆反應(yīng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進行了戶外太陽光照射條件下的試驗，驗證了“氫農(nóng)場”策略的可行性。該工作展示了利用基礎(chǔ)研究成果為應(yīng)用示范提供科學(xué)基礎(chǔ)的一個示例。

圖  太陽能規(guī)�；纸馑茪涞�“氫農(nóng)場”策略示意圖