曬曬太陽,水變氫

氫氣燃燒時會產生熱量，而且副產品只有水，沒有污染。在新能源領域，氫能已被視為一種高效清潔的綠色能源，既可代替傳統能源石油，也可依靠燃料電池轉化為電能。另外，氫氣在科學和工業領域也有廣泛應用。因此，氫氣一直被看成是人類向清潔能源過渡的首選物質。

長期以來，從水中分解出氫氣是一個世界級難題。現在，一種新的制氫技術為氫能的開發和利用展示了前所未有的誘人前景。氫在自然界中含量最為豐富，它廣泛存在于水、礦物燃料和各類碳水化合物中。但要想獲得純凈的氫氣，科學家們必須通過化學反應利用其他含氫化合物進行制備，現在使用的約96％氫氣都由煤和天然氣等非可再生能源產生，不僅無法解決能源短缺問題，由煤和天然氣等非可再生燃料制造氫氣還會排放出大量二氧化碳，帶來嚴重的環境污染。水變氫，不簡單

太陽源源不斷地將光和熱輸送到地球，為我們帶來光明和溫暖。每一秒鐘，太陽照射到地球表面的能量就相當于500萬噸煤燃燒所釋放的能量。這樣計算，一年照射到地球上的太陽能量接近人類年消耗總量的1萬多倍。在礦物能源日趨枯竭、環境惡化加劇的情況下，資源豐富、干凈清潔的太陽能勢必會在未來的能源結構中扮演重要角色。

但長久以來，對于取之不盡用之不竭的太陽能，我們仍缺乏高效的轉化和儲存利用的手段。要使水中的氫氧鍵和氫鍵分離需要消化很大的外界能量。最初，在進行分解時必須符合以下兩個條件： 是實驗處于高溫環境；二是水受到波長小于165毫米的遠紫外光照射。后者的缺陷顯而易見：紫外線在太陽光譜中僅占4％的比例，遠低于占43％的可見光，不能使太陽光得到充分利用。1972年，日本科學家藤島昭和本多健一報道了發生于二氧化鈦半導體單晶電極上的光分解水生成氫氣的現象。雖然產氫效率極低，但這個里程碑式的發現，讓人們看到了利用常溫可見光照射水來制備氫氣的契機，光催化分解水制氫研究迎來了新紀元。光催化分解水制氫以取之不盡的太陽能為誘導、半導體催化材料為媒介，將水分解為氫氣和氧氣。而且。提取出的氫氣作為能源使用后還會重新回到水的形態，不會過多消耗能源，也不會帶來環境污染。因此，光催化分解水制氫的方法一浮出水面，就受到各國科學家的關注。轉化率，不理想

要想從水中分離出氫氣，需要耗費大量的能源。要使水在可見光的照射下能夠徹底分解，必須在水里加入半導體光催化劑，加快水的分解，提高氫氣的產率。光催化作用屬于光化學反應，其作用機理是借助光的作用改變化學反應的途徑，或使原有的反應速率加快。在反應過程中，除了光的作用外，還需要光催化劑的參與。光催化劑通常為固體半導體，能夠在光的激發下加速反應的進行，而其本身不會發生性質上的改變。

最先在水制氫過程中充當光催化材料的是二氧化鈦。它可以從水蒸氣、純水、水溶液等多種反應條件下制備氫氣。為了提高光解水制氫的效率，國內外做了大量的二氧化鈦改性工作，目的是要提高它的催化活性。但是改性后的二氧化鈦在光催化分解水的反應中，制氫效率仍不夠理想。

同時，科學家也從未停止對于其他光催化劑的探索，繼二氧化鈦之后，又陸續開發出氮化物系列、硫化物系列等光催化材料。然而，到目前為止，較低的光催化效率仍是制約該制氫技術應用和發展的瓶頸，且沒有一種催化劑的活性能夠滿足商業化和工業化的要求，何時能進入應用更是難以預測。人們不禁要問，找一種性能優良的光催化劑就這么難嗎?

雖然人們有能力從化學角度準確判斷物質的屬性，但具體到實際操作過程中，材料的性質就會變得難以捉摸，同一種物質經過不同的處理方法會發生各種意想不到的變化。比如有的材料性能不穩定，反應還沒開始本身就先被消耗掉了；有的材料雖然滿足分解水的要求，卻沒有分解水制氫的反應活性。當然，尋找材料的過程也不是全無規律可循。可以通過觀察材料的顏色變化判斷該材料能否吸收可見光，比如白色的材料就肯定不能用作可見光催化劑，因為白色意味著該材料對可見光根本不能吸收。但最終還是需要通過大量的研究實驗，孜孜不倦地嘗試。

另外，助催化劑在光催化分解水制氫反應體系中，同樣起著非常重要的作用。通常，光催化劑自身只有較低的分解水制氫的活性，而近年來人們發現對光催化劑進行一些金屬物質的復合負載，光催化劑就能表現出較高的制氫活性。例如一些重金屬元素如鈀、釕、銠等，以及部分金屬的氧化物如氧化鎳、二氧化釕、三氧化二鉻等，都可以作為常規的助催化劑。最近，研究人員利用化學還原方法，把三氧化二鉻與鈀的復合助催化劑，成功負載在硫化鎘表面，將光催化分解水制氫的效率大幅提高到56％。研究發現，在水中如果添加了亞硫酸鹽或其他易被氧化的材料，光照產生氫氣的速度又將進一步提高。從最早在紫外光下制氫效率不到1％，到現在的56％，不可不說是個振奮人心的跨越。新合金，最期待

不久前，美國科學家研制出了種新的氮化鎵銻合金，其能更方便地利用太陽光將水分解為氧氣和氧氣，這種新的水解制氫方法，不僅成本低廉，且不會排放出二氧化碳。科學家們在美國能源部的資助下，借用最先進的理論計算證明，在氮化鎵化合物中，2％的氮化鎵由銻替代，這樣結合而成的新合金將擁有適宜的電學特性。當其浸入水中并暴露于陽光下時，會通過光電化學反應，借用太陽能將水分子中的氫原子和氧原子之間的化學鍵分開，將水分解為氫氣和氧氣。

氮化鎵是一種半導體，自上世紀90年代以來，已被廣泛應用于制造發光二極管。銻最近幾年也越來越多地被用于微電子設備內。而這種氮化鎵銻合金是首個簡單且容易制造的可通過光電反應水解制氫的材料。而且，在光電化學反應中，這種合金是催化劑，這意味著它并不會被消耗，因此可被不斷地回收利用。科學家們已經制造出了這種合金，并正在測試其將水解制氫的效率。領導該研究的美國肯塔基大學計算機科學中心的馬杜麥農表示：“以前，科學家們利用光電反應水解制氫使用的都是復雜材料。但我們決定另辟蹊徑，嘗試利用易制造的材料來完成這個任務，并希望將這些材料內的電子排列進行微調，以獲得令人滿意的結果。”

現在，距離藤島昭和本多健一第一次成功實現光解水制成氫氣已經整整40年，雖然光催化分解水制氫的研究依舊處在實驗室中，但人們始終對其抱著極大熱情。希望科學家們能醞釀出更大的突破，使氫能的推廣應用早日成為可能。