150年前，科幻大师儒勒·凡尔纳曾预言：水将成为未来的终极燃料。如今，科学家们正努力将这个幻想变为现实。
中国科学院金属研究所所长、研究团队负责人刘岗表示，中国科研团队近期在“光催化分解水制氢”领域取得突破性进展：通过对半导体光催化材料二氧化钛进行“结构整容”和“元素替代”，显著提升了通过阳光直接分解水获取氢气的效率。相关成果于4月8日发表在《美国化学学会杂志》上。
目前太阳能制氢主要有两种方式：一是通过太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；二是太阳光直接光解水：通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。刘岗团队主要聚焦第二种技术路线。
据介绍，用传统二氧化钛分解水有严重障碍：当光线照射到二氧化钛时，其内部会产生带电粒子（电子和空穴），这些带电粒子就是分解水的“工具”。然而，这些被激活的电子和空穴并不稳定。“电子和空穴就像迷失方向的赛车，在如同迷宫的材料内部横冲直撞，绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。此外，高温制备环境容易导致氧原子‘离家出走’，形成氧空位并捕获电子，这些都大大降低了光催化反应的效率。”刘岗说。
研究团队创造性地引入钛在元素周期表中的邻居——钪（Sc）元素对二氧化钛进行改造。经验证，钪元素具备三大优势：一是钪离子半径与钛相近，能完美嵌入其晶格而不造成结构变形；二是钪的稳定价态恰好能中和氧空位带来的电荷失衡；三是钪离子能重构晶体表面，产生特定的晶面结构，就像架起“电荷高速公路和立交桥”，让电子和空穴顺利跑出迷宫。
通过精密调控，团队成功研制出性能显著提升的二氧化钛材料，其紫外线利用率突破30%，模拟太阳光下产氢效率较同类材料提升15倍，创造了该材料体系的新纪录。刘岗表示：“若用这种材料制作1平方米的光催化板，在阳光照射下每天能产生约10升的氢气。”
科研人员介绍，二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，中国产能占全球50%以上，已形成完整的产业链，而稀土钪的储量中国也位居世界前列，对于后续光催化材料的发展及工业应用具有得天独厚的产业优势。光催化分解水效率进一步突破后将有望实现产业应用，推动能源结构升级。
中华人民共和国国家发展和改革委员会 中华人民共和国工业和信息化部 中华人民共和国应急管理部 中华人民共和国生态环境部 中华人民共和国科学技术部 中华人民共和国财政部 中华人民共和国商务部 中国石油和化学工业联合会
江苏省发展和改革委员会 江苏省工业和信息化厅 江苏省财政厅 江苏省生态环境厅 江苏省科学技术厅 江苏省商务厅 江苏省应急管理厅 江苏省市场监督管理局 江苏省统计局
北京市化学工业协会 天津市石油和化工协会 辽宁省石油和化学工业协会 内蒙古石油和化学工业协会 重庆市石油与天然气学会 河北省石油和化学工业协会 山西省化学工业协会 吉林省能源协会 黑龙江省石化行业协会 浙江省石油和化学工业行业协会 安徽省石油和化学工业协会 福建省石油和化学工业协会 江西省石油和化学工业协会 河南省石油和化学工业协会 湖北省石化行业协会 湖南省石油化学工业协会 广东省石油和化学工业协会 海南省石油和化学工业行业协会 四川省化工行业协会 贵州省化学工业协会 云南省化工行业协会 陕西省经济联合会 甘肃省石化工业协会 青海省化工协会
电话：协会：025-8799064 学会：025-86799482
会员服务部：025-86918841
信息部：025-86910067
传真：025-83755381
邮箱：jshghyxh@163.com
邮编：210019
地址：南京市梦都大街50号东楼(省科技工作者活动中心)5楼
增值电信业务经营许可证：苏B2-20110130
备案号：苏ICP备13033418号-1
