曬曬太陽,水變氫

氫氣燃燒時會產(chǎn)生熱量，而且副產(chǎn)品只有水，沒有污染。在新能源領(lǐng)域，氫能已被視為一種高效清潔的綠色能源，既可代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源石油，也可依靠燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。另外，氫氣在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)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(zhì)。

長期以來，從水中分解出氫氣是一個世界級難題。現(xiàn)在，一種新的制氫技術(shù)為氫能的開發(fā)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(xué)家們必須通過化學(xué)反應(yīng)利用其他含氫化合物進(jìn)行制備，現(xiàn)在使用的約96％氫氣都由煤和天然氣等非可再生能源產(chǎn)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(yán)重的環(huán)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(dāng)于500萬噸煤燃燒所釋放的能量。這樣計(jì)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(huán)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(jié)構(gòu)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?nèi)匀狈Ω咝У霓D(zhuǎn)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(jìn)行分解時必須符合以下兩個條件： 是實(shí)驗(yàn)處于高溫環(huán)境；二是水受到波長小于165毫米的遠(yuǎn)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(yuǎn)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(xué)家藤島昭和本多健一報(bào)道了發(fā)生于二氧化鈦半導(dǎo)體單晶電極上的光分解水生成氫氣的現(xiàn)象。雖然產(chǎn)氫效率極低，但這個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，讓人們看到了利用常溫可見光照射水來制備氫氣的契機(jī)，光催化分解水制氫研究迎來了新紀(jì)元。光催化分解水制氫以取之不盡的太陽能為誘導(dǎo)、半導(dǎo)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(tài)，不會過多消耗能源，也不會帶來環(huán)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(xué)家的關(guān)注。轉(zhuǎn)化率，不理想

要想從水中分離出氫氣，需要耗費(fèi)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(dǎo)體光催化劑，加快水的分解，提高氫氣的產(chǎn)率。光催化作用屬于光化學(xué)反應(yīng)，其作用機(jī)理是借助光的作用改變化學(xué)反應(yīng)的途徑，或使原有的反應(yīng)速率加快。在反應(yīng)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(dǎo)體，能夠在光的激發(fā)下加速反應(yīng)的進(jìn)行，而其本身不會發(fā)生性質(zhì)上的改變。

最先在水制氫過程中充當(dāng)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(yīng)條件下制備氫氣。為了提高光解水制氫的效率，國內(nèi)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(yīng)中，制氫效率仍不夠理想。

同時，科學(xué)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(xù)開發(fā)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(shù)應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸，且沒有一種催化劑的活性能夠滿足商業(yè)化和工業(yè)化的要求，何時能進(jìn)入應(yīng)用更是難以預(yù)測。人們不禁要問，找一種性能優(yōu)良的光催化劑就這么難嗎?

雖然人們有能力從化學(xué)角度準(zhǔn)確判斷物質(zhì)的屬性，但具體到實(shí)際操作過程中，材料的性質(zhì)就會變得難以捉摸，同一種物質(zhì)經(jīng)過不同的處理方法會發(fā)生各種意想不到的變化。比如有的材料性能不穩(wěn)定，反應(yīng)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(yīng)活性。當(dāng)然，尋找材料的過程也不是全無規(guī)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?yàn)榘咨馕吨摬牧蠈梢姽飧静荒芪铡５罱K還是需要通過大量的研究實(shí)驗(yàn)，孜孜不倦地嘗試。

另外，助催化劑在光催化分解水制氫反應(yīng)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(fā)現(xiàn)對光催化劑進(jìn)行一些金屬物質(zhì)的復(fù)合負(fù)載，光催化劑就能表現(xiàn)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(guī)的助催化劑。最近，研究人員利用化學(xué)還原方法，把三氧化二鉻與鈀的復(fù)合助催化劑，成功負(fù)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(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生氫氣的速度又將進(jìn)一步提高。從最早在紫外光下制氫效率不到1％，到現(xiàn)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(xué)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(xué)家們在美國能源部的資助下，借用最先進(jìn)的理論計(jì)算證明，在氮化鎵化合物中，2％的氮化鎵由銻替代，這樣結(jié)合而成的新合金將擁有適宜的電學(xué)特性。當(dāng)其浸入水中并暴露于陽光下時，會通過光電化學(xué)反應(yīng)，借用太陽能將水分子中的氫原子和氧原子之間的化學(xué)鍵分開，將水分解為氫氣和氧氣。

氮化鎵是一種半導(dǎo)體，自上世紀(jì)90年代以來，已被廣泛應(yīng)用于制造發(fā)光二極管。銻最近幾年也越來越多地被用于微電子設(shè)備內(nèi)。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(yīng)水解制氫的材料。而且，在光電化學(xué)反應(yīng)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(xué)家們已經(jīng)制造出了這種合金，并正在測試其將水解制氫的效率。領(lǐng)導(dǎo)該研究的美國肯塔基大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)中心的馬杜麥農(nóng)表示：“以前，科學(xué)家們利用光電反應(yīng)水解制氫使用的都是復(fù)雜材料。但我們決定另辟蹊徑，嘗試?yán)靡字圃斓牟牧蟻硗瓿蛇@個任務(wù)，并希望將這些材料內(nèi)的電子排列進(jìn)行微調(diào)，以獲得令人滿意的結(jié)果。”

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