“氢农场”策略下，太阳能水分解制氢效率创新高
随着传统石油和化石能源的消耗，能源短缺和环境污染问题日益突出，因此发展新的清洁可再生绿色替代能源成为人们研究的热点。氢气，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，燃烧产物为水，热值高，无污染，且地球表面70%都是水源。其中，太阳能光催化分解水技术可把无限的、分散的太阳能转化为高度集中的氢能，因此被认为是实现清洁可持续氢气绿色高效生产的重要途径。
太阳能光催化分解水制氢，将太阳能转化并储存为化学能，是科学家们长期探索研究的领域。但是，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的前沿科研问题。多项研究证明，使用颗粒状光催化剂进行光催化水分解是大规模制氢的一种更为经济有效的方法。
但是，由于电荷分离效率低以及氢和氧之间可能发生的逆反应，光催化水分解制氢仍然受制于极低的太阳能转化效率。此外，大多数研究所报告的可见光响应性颗粒光催化剂必须要在牺牲剂存在下才对析氢或析氧半反应具有活性。因此，迄今为止对于光催化水分解制氢的研究中，最高的太阳能转化效率为1.1％。尽管如此，分离氢/氧仍需要额外的气体分离技术。基于此，我们迫切需要开发新的策略和光催化剂以有效且可扩展地生产太阳能氢。
近日，中科院大连化学物理所催化基础国家重点实验室李灿院士、李仁贵等研究人员，创新性地提出并验证了一种通过氧化还原穿梭离子环实现太阳能存储可行的策略。据称，该策略基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢，其转化效率超过1.8%，是目前国际上已知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，相关研究成果已发表于《德国应用化学》期刊。
通过绿色植物的光合作用，将太阳能转化为化学能，将大气中的二氧化碳和水转化为植物生长的糖分子，这为大规模有效地捕获太阳能提供了研究方向。据了解，在光系统中进行水氧化反应，在此过程中分子氧得以释放，同时通过碳水化合物的合成为随后的能量存储步骤提供质子。
受自然界植物光合作用的启发，中科院大连化学物理所研究团队借鉴自然光合作用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开来，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”。
由于该方法类似于农业的种植、成熟与收获过程，因此被命名为“氢农场”策略。据介绍，“氢农场”策略包括两个子系统，即用于太阳能存储和质子生产的高效光催化水氧化，利用质子产生氢。
该研究团队指出，若想顺利实现“氢农场”策略，需要解决两个关键问题：设计在存在穿梭离子的情况下可有效进行光催化水氧化所需的高活性光催化剂，其效率取决于光催化剂的集光、电荷分离以及表面反应；抑制还原穿梭离子的氧化过程，即抑制穿梭离子之间的逆反应。
基于此，研究团队采用钒酸铋晶体充当水氧化光催化剂用以实现用于太阳能存储和制氢。实验表明，钒酸铋晶体表现出极高的水氧化效率，光催化水氧化的表观量子效率可以优化到71％以上，更重要的是可以完全阻止穿梭离子的逆反应。
该研究团队表示，在户外日光照射下，通过“氢农场”策略储存太阳能的可伸缩光催化剂面板也得到了充分展示。使用这种理想的光催化剂，可以实现超过1.97％的总体太阳能转化率和超过1.85％的太阳能转化率。该项研究工作，为通过使用颗粒光催化剂大规模收集太阳能和生产太阳能氢提供了一种更实用的策略，为基础研究成果转化为应用示范提供了科学基础。