中科院大连化物所提出“氢农场”新策略

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室院士李灿、研究员李仁贵等在太阳能可规模化分解水制氢方面取得新进展，率先提出并验证了一种全新的“氢农场”策略，该策略基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢，太阳能光催化全分解水制氢效率创国际最高记录。研究成果近期发表于《德国应用化学》。

太阳能光催化分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能。光催化过程是一个跨越多个时间尺度的复杂反应过程，涉及化学、物理、生物等一系列多学科前沿科学问题。如果能利用太阳能实现高效水分解制氢，不仅可缓解能源紧缺问题，还有望替代化石能源，将有可能改变世界能源格局，从根本上实现能源可持续发展和社会生态文明。

李灿团队长期致力于太阳能光催化、光电催化及电催化的前沿科学问题研究，是国内最早启动太阳能光催化分解水制氢研究的团队之一。尤其在基于粉末纳米颗粒光催化剂体系的光生电荷分离等关键科学问题研究上取得了系列重要进展，先后提出异相结电荷分离机制，发现晶面间光生电荷分离效应，发展了高对称性半导体材料的光生电荷分离策略和极性诱导的光生电荷分离新策略，自主研发了光生电荷成像表征新技术，并确认了晶面间光生电荷的分离等，受到国际太阳能光催化界的广泛关注。在基础研究取得进展的同时，团队一直在探索太阳能分解水制氢规模化应用的示范。

受自然光合作用原理启发，研究人员借鉴大规模种植庄稼的作法，率先提出并验证了基于粉末纳米粒子光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略，这是一种不同于国际上报道的全新策略。“氢农场”策略，是借鉴自然光合作用Z-机制将光系统II和光系统I在空间上分离以及将光反应和暗反应在空间上分离的原理，将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离，避免了氢气和氧气的逆反应，规避了产物氢气和氧气分离等问题，水氧化反应器开放，原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。实现“氢农场”策略需要解决两个关键问题，一是如何实现高效水氧化光催化过程，二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态物种之间的反应（即逆反应）。

近日，研究人员基于晶面间光生电荷分离原理，通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例，优化光催化水氧化反应性能，在Fe³⁺/Fe²⁺离子作为储能介质的条件下，可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上，“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%，是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。同时，利用催化剂不同暴露晶面之间的电荷分离特性，使Fe³⁺/Fe²⁺离子对之间的逆反应得到抑制。并利用钒酸铋光催化剂进行了户外太阳光照射条件下的试验，验证了“氢农场”策略的可行性。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202001438