中國和以色列合作開發(fā)太陽能制氫新技術(shù)

中國和以色列研究人員開發(fā)出一種利用太陽光分解水制氫的新技術(shù)，具體原理是利用新型C3N4光催化劑將水分解成氫氣和過氧化氫，產(chǎn)生的過氧化氫經(jīng)催化作用再分解水和氧氣。研究人員認(rèn)為，相比以往的太陽能制氫方法，該技術(shù)具有更高的轉(zhuǎn)換效率且成本更低，是目前最可行的光解技術(shù)之一，而且該技術(shù)的提升空間顯著。

長期以來，太陽能制氫都具有很大的挑戰(zhàn)性。人們最熟知的過程是光電解法：太陽電池捕獲光子的能量，能量累積形成電勢差，利用產(chǎn)生的電勢差電解水獲得氫氣。理論上，電解水所需的最低能量為1.23 伏，但事實上由于直接分解水的反應(yīng)是一個復(fù)雜的四電子過程，大約需要2 伏的電壓才產(chǎn)生明顯的反應(yīng)速率。根據(jù)目前的技術(shù)水平，達(dá)到這一電壓值需要3～4 個太陽電池，成本費用居高不下。

除此之外，一個更簡單的方法是光催化制氫。在這一過程中，粉末狀的吸光催化劑懸浮在水中，通過吸收光子的能量催化水分解過程。原則上，該方法成本更低且更易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。然而，這一方法存在諸多致命的弊端，例如，許多光催化劑的催化效率不足0.1%，需要昂貴的稀有金屬材料，以及由副反應(yīng)產(chǎn)生過氧化氫會使催化劑中毒而迅速失去活性。迄今為止，性能最好的光解水催化劑是納米晶氧化鈷，其轉(zhuǎn)化效率約為5%，但其最大的缺點是在僅僅1 小時內(nèi)便會失活。雖然C3N4光催化劑的太陽能到氫氣的轉(zhuǎn)換效率只有2%，但其壽命和穩(wěn)定性具有突出優(yōu)點，經(jīng)過200 天后測試其活性仍然沒有明顯衰退。

通常，太陽能制氫過程中產(chǎn)生的過氧化氫會使催化劑中毒。研究人員有效地解決了這一問題，成功合成出一種含有C3N4和巴克球的復(fù)合催化劑。C3N4光催化劑可以將水分解成氫氣和過氧化氫，巴克球卻能夠催化過氧化氫分解成水和氧氣，從而避免了過氧化氫吸附在C3N4催化劑表面致其中毒，而且巴克球的存在也可以促進(jìn)催化劑吸收更多的太陽光。

據(jù)研究人員計算，C3N4光催化劑的轉(zhuǎn)換效率如果能提高到5%，那么制氫成本將降低到2.3 美元/ 公斤——該數(shù)值遠(yuǎn)低于美國能源部4 美元/公斤的預(yù)期目標(biāo)。即使在現(xiàn)階段，利用該催化劑的制氫成本也只有4 美元/公斤。因此，該太陽能制氫技術(shù)有望獲得大規(guī)模應(yīng)用。另外，由于過氧化氫本身是一種有價值的工業(yè)漂白劑和消毒劑，如果可以將產(chǎn)生的過氧化氫加以收集利用，該技術(shù)的制氫成本將進(jìn)一步下降。