用阳光生产氢能

作者：Maria Gallucci

将太阳能转化为氢能可以大大提升效率。

将阳光转化为氢能似乎是应对世界能源挑战的一个理想方案。该转化过程不会直接使用化石燃料，也不会产生温室气体排放。生产的氢能可以为车辆、船只和火车中的燃料电池系统供电；还能馈送到电网中，或者用于制造化学品和钢铁。不过目前这种清洁能源愿景主要还停留在实验室里。

最近，日本研究人员表示他们已经朝着使用太阳能制造大量氢能迈出了重要的一步。这个来自松本市信州大学的团队研究用吸光材料分离水中的氢气分子和氧气分子。目前该团队开发出了一种两步法，大大提高了光催化反应产生氢气的效率。

研究人员使用的是半导体材料氧氮化钽钡（BaTaO2N），它能够吸收波长达650纳米的光（红光橙色端的可见光波长）。这种粉状物质充当光催化剂，由太阳能驱动反应进行。他们还用甲醇水溶液代替了水，使得他们只需关注氢成分即可，降低了反应的复杂度。

氧氮化钽钡本身几乎不能从溶液中“生成”氢气。因此，信州大学团队使用了一种新方法，用铂基催化剂粉状颗粒“装载”这种粉状物质，来提高化学活性。

根据该团队在《自然•通讯》杂志上发表的论文，这种材料释放氢气的效率是使用常规方法“装载”铂的氧氮化钽钡的100倍。

该研究的共同作者久富孝（Takashi Hisatomi）表示，该研究结果在相关研究领域是一项“重大发现”。久富孝是日本信州大学超级材料研究项目的一名教授，他对氧氮化钽钡进行了近10年的研究。谈及这100倍的效率提升，他说：“这对我个人来说是一件非常激动的事。”

太阳能专家也将更加简便或有效地制造氢气的努力称为是“圣杯之旅”。在用燃料电池为车辆或建筑供电时，氢气这种无味的气体不会产生排放物，也不会造成空气污染，只会产生一点热和一些水。不过，如今几乎所有的氢气都是通过使用天然气或燃煤的工业生产方法生产的，这些燃料最终会向大气产出更多排放物。有几种设施可利用可再生电力分解水分子，生产“绿色”氢气，但这些生产过程是能源密集型的。如果科学家能够直接通过太阳能来制造氢气，那么我们就可以避开这些成本高昂且会产生污染的步骤。

比利时鲁汶大学的一个团队正在开发一种太阳能板，这种太阳能板能收集空气中的水分，然后使用化学和生物成分直接在其表面分解水。研究人员的预想是，将这种太阳能板放在屋顶上，让人们可以就地生产氢气来给房屋供暖。此外，一个由以色列和意大利科学家组成的团队正在开发氢气提取方法，想在从太阳能到化学能转换的过程中尽可能多地提取氢气。该团队开发了尖端带有铂球的杆状纳米粒子，可防止氢分子和氧分子在分离后再次结合。

信州大学的研究人员想通过铂基助催化剂镀层，提高氧氮化钽钡光催化剂的效率。不过久富孝说，传统方法一开始并没有起作用。

例如，在浸渍还原过程中，材料表面会充满含有金属前体的溶液，然后经受高温，溶剂会挥发，留下金属催化剂。信州大学的团队在氧氮化钽钡颗粒中应用了铂微粒后，颗粒倾向于聚合，限制了材料间的电子相互作用。另一种方法称为光分解沉积，这种方法会使得氧氮化钽钡和助催化剂之间形成弱接触，进而削弱相互作用。

因此，研究人员将这两种方法结合在了一起。首先，他们使用浸渍法，只沉积少量助催化剂，防止颗粒聚合。然后在第二层使用光分解沉积法；在第一步大面积分散的“种子”上，微粒会生长。王峥（Zheng Wang，音）和罗颖（Ying Luo，音）分别在堂免一成（Kazunari Domen）和手岛克也（Katsuya Teshimash）的督导下完成了实验。

虽然研究使用的是甲醇水溶液而不是水，但该团队确认，当与另一种驱动析氧过程的光催化剂结合时，这种新开发的载铂氧氮化钽钡能够比早期的氧氮化钽钡更有效地分解水中的氢分子和氧分子。

久富孝表示，其团队正在考虑将粉状光催化剂打印在板式反应器上。他和同事已经使用另一种材料（掺铝钛酸锶）制造了一台这种设备，掺铝钛酸锶的晶体结构与氧氮化钽钡一样，但可吸收的光的波长不同。这种1平方米的板式反应器上覆盖了一层1毫米厚的水层。暴露在阳光下时，化学反应会迅速产生气泡。另一项相关研究是开发让氧气气泡和氢气气泡保持分离的薄膜。

虽然氧氮化钽钡带来了100倍的效率提升，但目前还没有为黄金时段的氢气生产做好准备。

久富孝说：“我们仍然需要在效率方面实现一个类似的飞跃，进而使这项技术实用化。”在研究人员继续改善光催化剂的同时，他们也会开始在其他类型的材料中应用这种两步法。“我们还不知道最终哪种材料是最佳的。”他补充说。