大連化物所人工光合制氫技術獲重大突破

可持續(xù)、高效率的規(guī)模制氫技術的開發(fā)，已成為“氫經濟”時代的迫切需求——氫氣能量密度高、清潔環(huán)保，燃燒后生成水無任何污染物，是一種理想的能源載體;氫能與現有能源系統(tǒng)匹配和兼容，能方便、高效地轉換成電或熱，有較高的轉化效率;氫還可以轉化合成甲醇或氨等大宗化學品，受到工業(yè)界極大關注。隨著氫能利用技術漸趨成熟，有望取代現有石油經濟體系的“氫經濟”時代，正在一個又一個相關技術的突破中逐漸向我們靠近。

最近，《德國應用化學》期刊在線發(fā)表了我國科學家與日本科學家合作取得的重大突破——人工光合制氫新技術的效率達到目前世界最高。

中國科學院大連化學物理研究所李燦院士、章福祥研究員和博士生陳閃山等與日本東京大學堂免一成(Domen Kazunari)教授課題組合作發(fā)現，經一步氮化合成的MgTa2O6xNy/TaON異質結材料，可有效促進光生電荷分離。基于此異質結材料，他們模擬自然光合作用原理，采用“Z”機制成功實現了完全分解水制氫，其制氫表觀量子效率在波長為420 nm可見光激發(fā)下高達6.8%，為目前國際上最高。

利用太陽光分解水制氫，長久以來被視為“化學的圣杯”。光催化分解水制氫是從根本上解決能源危機和環(huán)境污染的理想途徑之一，而寬光譜響應半導體材料的開發(fā)與應用是實現太陽能高效光化學轉化的前提和基礎。此前，李燦院士、章福祥研究員和博士生陳閃山等早就瞄準了具有太陽能應用轉化潛力的寬光譜響應半導體材料制氫技術。他們從新型材料的開發(fā)入手，通過對系列層狀或隧道狀寬禁帶半導體材料進行摻氮處理，實現了有效的寬光譜吸收和利用，并從實驗上證實了該類新型半導體材料具有可見光催化分解水制氫潛力。

本次研究采用的新型異質結材料，就是該團隊在此前自主開發(fā)的MgTa2O6xNy新材料基礎上，通過氮化合成策略的創(chuàng)新，成功構筑而成的。

“研究成果不僅提供了‘異質結’構筑的新方法，打通了從新型材料研發(fā)到人工光合全分解水制氫的鏈條，而且為發(fā)展我國自主創(chuàng)新的高效寬光譜可見光人工光合制氫能源變革性技術奠定了基礎。”業(yè)內專家在評價該成果時說。

太陽能是最豐富的潔凈能源，水是地球上最豐富的自然資源之一。全球每年接受的太陽能輻射總量高達12萬TW，約為當前全球人類能量消耗總量的近萬倍;我國陸地面積每年接收的太陽輻射總量相當于2萬多億噸標準煤，屬于太陽能資源豐富的國家。因此，如果能夠通過太陽能光催化分解水制氫，將從根本上解決基于氫能的可持續(xù)能源發(fā)展問題。該技術一旦突破，將改變世界能源格局，對我國的國家安全、生態(tài)文明社會建設和經濟社會可持續(xù)發(fā)展具有不可估量的意義。

大連化物所是我國最早從事人工光合制氫研究的機構之一。李燦院士團隊從2001年啟動人工光合制氫研究，在人工光合制氫基礎研究方面進行了廣泛探索，其研究成果為高效太陽能光-化學轉化體系構筑提供了新策略和設計思路，得到了國內外同行專家的廣泛關注。