產氫效率提升15倍 光催化分解水制氫研究取得重要突破

新華社瀋陽4月8日電（記者王瑩、劉禎）記者從中國科學院金屬研究所獲悉，我國科研人員利用稀土元素鈧對光催化分解水的催化材料進行改造，產氫效率提高15倍，創造了該材料體系的新紀錄。相關論文4月8日在學術期刊《美國化學學會雜誌》上發表。

據介紹，光解水制氫以二氧化鈦半導體為催化材料，在陽光下直接將水分解成氫氣和氧氣。當光線照射二氧化鈦時，內部產生的帶電粒子成為分解水的工具，整個過程綠色環保。

“但這些被激活的帶電粒子並不穩定，絕大多數在百萬分之一秒內就會複合湮滅。此外，高溫製備容易形成氧空位捕獲帶電粒子，這些都大大降低了光催化反應的效率。”中國科學院金屬研究所所長、科研團隊負責人劉崗說。

針對這一問題，科研團隊創造性地引入鈦在元素周期表中的鄰居——鈧元素對二氧化鈦進行改造。由於半徑相近，鈧離子能完美嵌入材料而不造成結構變形，鈧的穩定價態也恰好能夠中和電荷失衡問題，且鈧離子能重構晶體表面，產生特定的晶面結構讓帶電粒子有充分參與反應的時間和空間。

在模擬太陽光下，科研人員利用改造後的二氧化鈦催化材料分解水制氫。新華社記者 劉禎 攝

“改造後的光催化材料性能顯著提升，紫外線利用率突破30%，在模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升15倍。”劉崗說，如果用這種材料製作1平方米的光催化板，在陽光照射下每天能產生約10升的氫氣。

目前，我國二氧化鈦產能佔全球50%以上，已形成完整的產業鏈。同時，我國的鈧儲量也位居世界前列。科研人員表示，光催化分解水效率進一步突破後將有望實現產業應用，推動能源結構升級。