“點(diǎn)水成氫”！太陽能制氫關(guān)鍵一步被突破稀土鈧助力效率飛躍

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2025-05-09 15:09:36 大河網(wǎng)

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把水變成清潔能源“氫燃料”，只需陽光照射？這個曾經(jīng)的科學(xué)設(shè)想，正被科研人員一步步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。日前，中國科學(xué)院金屬研究所劉崗研究員團(tuán)隊(duì)在光催化分解水制氫領(lǐng)域取得重要突破，通過稀土鈧摻雜技術(shù)，成功將二氧化鈦的紫外光解水制氫效率提升15倍。這一成果為太陽能大規(guī)模制氫提供了新材料方案，相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會會刊》。

150年前，科幻作家凡爾納曾預(yù)言“水將成為終極燃料”?？茖W(xué)家們一直努力發(fā)展能將這個預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的各種可能的技術(shù)，其中包括通過陽光直接分解水獲取氫氣。與傳統(tǒng)的“太陽能發(fā)電+電解水”制氫相比，光催化分解水能直接用陽光“一鍵產(chǎn)氫”，設(shè)備簡單且成本低廉。然而，自1972年發(fā)現(xiàn)二氧化鈦的光解水特性以來，如何阻止光生電荷快速復(fù)合一直是世界性難題——就像一場在迷宮中進(jìn)行的賽車，絕大多數(shù)電子還未抵達(dá)終點(diǎn)就已湮滅。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地選用稀土元素鈧作為“改造工程師”，通過其獨(dú)特的原子排布能力，在二氧化鈦表面構(gòu)建出兩條“電荷高速公路”：{101}晶面專供空穴通行，{110}晶面則負(fù)責(zé)電子運(yùn)輸。實(shí)驗(yàn)顯示，摻雜5%鈧的二氧化鈦不僅消除了材料內(nèi)部的電荷陷阱，還形成了強(qiáng)度達(dá)1kV/cm的定向電場，使光生電荷分離效率提升200倍，對紫外光的量子效率突破30%。

這相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒里架起了立交橋。若將新材料制成1平方米的光催化材料面板，每日太陽光照可產(chǎn)生約10升的氫氣。但這只是部分勝利，目前僅利用了占太陽光5%的紫外光，如何用好占43%的可見光是下一個攻關(guān)方向。

這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)高效光催化材料提供了新思路，隨著效率進(jìn)一步提升，太陽能光解水制氫有望成為綠色能源體系的重要拼圖。

(責(zé)任編輯：zhangxiaohua)

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