近日，催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽(yáng)能可規(guī)?；纸馑茪浞矫嫒〉眯逻M(jìn)展：率先提出并驗(yàn)證了一種全新的基于粉末納米顆粒光催化劑太陽(yáng)能分解水制氫的“氫農(nóng)場(chǎng)”策略，太陽(yáng)能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國(guó)際最高記錄。
太陽(yáng)能光催化分解水制氫可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想。光催化過(guò)程是一個(gè)跨越多個(gè)時(shí)間尺度的復(fù)雜反應(yīng)過(guò)程，涉及化學(xué)、物理、生物等一系列多學(xué)科前沿科學(xué)問(wèn)題。如果能利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)高效水分解制氫，不僅可緩解人類(lèi)能源的問(wèn)題，還有望替代化石能源，將有可能改變世界能源格局，從根本上實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)生態(tài)文明。
李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能光催化、光電催化及電催化的前沿科學(xué)問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)最早啟動(dòng)太陽(yáng)能光催化分解水制氫研究的團(tuán)隊(duì)之一。尤其在基于粉末納米顆粒光催化劑體系的光生電荷分離等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究上取得了系列重要進(jìn)展，先后提出異相結(jié)電荷分離機(jī)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(duì)稱(chēng)性半導(dǎo)體材料的光生電荷分離策略（Energy Environ. Sci., 2016）和極性誘導(dǎo)的光生電荷分離新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2020），自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)，并確認(rèn)了晶面間光生電荷的分離（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018）等，受到國(guó)際太陽(yáng)能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chǔ)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，李燦團(tuán)隊(duì)一直在探索太陽(yáng)能分解水制氫規(guī)?；瘧?yīng)用的示范。
受自然光合作用原理啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)借鑒大規(guī)模種植莊稼的作法，率先提出并驗(yàn)證了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽(yáng)能規(guī)?；纸馑茪涞摹皻滢r(nóng)場(chǎng)”（Hydrogen Farm Project, HFP）策略，是一種不同于國(guó)際上報(bào)道的全新的策略?！皻滢r(nóng)場(chǎng)”策略，是借鑒自然光合作用Z-機(jī)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(wèn)題，水氧化反應(yīng)器開(kāi)放，原理上解決了大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。實(shí)現(xiàn)“氫農(nóng)場(chǎng)”策略需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效水氧化光催化過(guò)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)物種之間的反應(yīng)（即逆反應(yīng)）。
最近，研究團(tuán)隊(duì)基于晶面間光生電荷分離原理，通過(guò)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(duì)作為儲(chǔ)能介質(zhì)的條件下，可見(jiàn)光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“氫農(nóng)場(chǎng)”體系的太陽(yáng)能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過(guò)1.8%，是目前國(guó)際上報(bào)道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽(yáng)能制氫效率的最高值。同時(shí)，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe3+/Fe2+離子對(duì)之間的逆反應(yīng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進(jìn)行了戶(hù)外太陽(yáng)光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“氫農(nóng)場(chǎng)”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(gè)示例。
研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，第一作者是博士生趙越。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家科技部973項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)A“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等的資助。（文/圖 李仁貴、趙越）
