哈工大在光催化分解水制氫研究方面取得新進展

　　氫能已被普遍認為是一種理想、無污染的綠色能源，其燃燒值高且燃燒后唯一的產物是水，對環境不會造成任何污染，因此，氫能開發是解決能源危機和環境問題的理想途徑。在眾多氫能開發的手段和途徑中，通過光催化劑，利用太陽能光催化分解水制氫是最為理想和最有前途的手段之一;而開發高效、廉價的實用光催化劑是實現這一過程的關鍵，也成為當前國際能源材料領域的研究熱點之一。

　　近日，在國家自然科學基金的資助下，哈爾濱工業大學教授陳剛課題組在光催化分解水制氫研究方面取得重要進展，相關成果發表于國際化學領域高影響因子雜志《化學通訊》。

　　水中取“火”的夢想

　　周末陽光明媚，李先生決定帶著全家去郊外春游。他從自來水龍頭接了一桶水，加入到自己家中的太陽能分解水制氫裝置中。“今天出遠門，要多加些氫。”李先生心想，正好還要給車拉一拉高速，試試這輛用分解水制得的氫作為動力的新型汽車的性能。

　　這一幕今天還是人們開發和利用新能源的夢想，但也許不遠的將來，這一夢想將成為現實。

　　隨著太陽能研究和利用的發展，人們已開始利用太陽能分解水來制取氫氣。科學家將催化劑放入水中，在陽光照射下，催化劑吸收光子形成電子空穴對，與水發生氧化還原反應生成氫氣和氧氣。研究人員預計，一旦更有效的催化劑問世，水中取“火”——制取氫就成為可能。到那時，只要人們在分解水制氫裝置中加入光催化劑，在陽光照射下，水便不斷地分解出氫，把其裝入汽車、飛機的“油箱”中即可作為高效、清潔又廉價的動力源使用。

　　打開夢想之門的鑰匙

　　“通俗地說，光催化分解水制氫就是把光催化劑放入水中，在光照的條件下，使水分解來得到氫。我們的研究工作主要是在光催化劑制備方面，目前已經取得了階段性的成果。”陳剛對《科學時報》記者說。

　　氫能是一種綠色能源，現在制取氫的方法很多，有通過化石燃料制氫的，有利用生物(微生物、菌類、藻類等)制氫的，還有一類是分解水制氫。

　　據陳剛介紹，每種制氫的方法都各有利弊。現在，實際生產生活中應用的氫絕大部分是利用化石燃料及電解水制得的，但前者不能從根本上解決能源短缺和環境污染問題，后者耗能較多，成本偏高。生物制氫和光催化分解水制氫均符合綠色環保的要求及可持續發展的理念，但目前兩者還都處于實驗室研究階段。對光催化分解水制氫來說，當前面臨的主要問題是量子產率(體系吸收每一個光子所引發的某種事件的數目)和對可見光響應。解決這一問題的關鍵，就是催化劑的選擇和制備。陳剛課題組制備的光催化劑——一種硫化物系的新型光催化劑(ZnS-In2S3 -Ag2S納米多孔固溶體光催化劑)在量子產率和可見光響應上均有很大改善。

　　新催化劑的創新點

　　陳剛說：“我們是在沒有使用表面活性劑的條件下，一步合成了高比表面積的納米多孔球型材料。此外，在傳統的光催化分解水制氫中，催化劑通常要負載一定量的助催化劑，而助催化劑一般都是貴金屬，比如鉑等，這樣一來，反應成本就高了。而我們制備的催化劑無需負載，這樣就降低了成本，而且制氫的產率也有明顯提高。”

　　陳剛領導的課題組多年來一直從事光催化分解水制氫及能量轉換材料方面的研究工作，近3年來，在《化學通訊》、《納米技術》、《化學物理》、《化學電源》和《國際氫能》等知名國際刊物上發表SCI論文40余篇，申請國家發明ZL9項。

　　2009年以來，該課題組已被接收出版的影響因子大于2.7的論文就達7篇。目前，他們采用溶劑熱自組裝方法合成了ZnS-In2S3-Ag2S納米多孔固溶體光催化劑，該催化劑利用的是太陽能中的可見光部分(可見光在太陽光中占43%)，其表觀量子產率達19.8%，對太陽能的轉化利用率高。

　　此外，課題組還采用水熱法制備了Sr2Ta2O7納米片光催化劑，與固相法制備的塊體Sr2Ta2O7材料相比，其分解水制氫催化活性提高了35倍。相關工作已發表在氫能領域的知名雜志《國際氫能》上。

　　“雖然目前光催化分解水制氫還處于理論研究階段，但這一方法具有潛在的實用前景。我們用新的研究方法和手段，設計制備了一系列新型分解水光催化劑，為進一步開發高效廉價的太陽能分解水光催化劑，促進太陽能分解水制氫技術的實用化提供了新的借鑒和思路。”陳剛說。