光解水制氫之謎

張濤

清潔無污染、資源儲量豐富……作為一種十分理想的可再生新能源，氫氣密度最小，在自然界普遍存在，發(fā)熱值高，燃燒性能好，本身無毒，燃燒后的產(chǎn)物為水，不會產(chǎn)生污染物質(zhì)，燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，可以反復(fù)循環(huán)使用。世界各國對開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財(cái)力、物力，并且已取得了多方面的進(jìn)展。

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，液氫即用作A-2火箭發(fā)動機(jī)的液體推進(jìn)劑。現(xiàn)在液氫已被廣泛用作火箭和航天動力的燃料。氫氣實(shí)在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量制作氫氣的方法。目前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授課題組的一項(xiàng)研究首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”的機(jī)制，為其制氫性能的提高提供了新的途徑。該工作以《硅納米線光解水制氫之謎》為題，發(fā)表于國際重要化學(xué)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》上，并入選為該期刊的熱點(diǎn)論文。

模擬光合作用制氫

2008年8月6日，美國麻省理工大學(xué)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)首次再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個(gè)過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產(chǎn)生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實(shí)驗(yàn)的意義在于光合作用產(chǎn)生的能量能夠被人類利用，這種技術(shù)將引發(fā)一場太陽能使用的大革命，以補(bǔ)償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。

光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結(jié)果，整個(gè)過程一開始是將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧，自由的質(zhì)子和電子。在光合作用中產(chǎn)生了兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，葉綠素分子失去兩個(gè)電子，水分子發(fā)生分解。

盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實(shí)現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當(dāng)這一媒介的是葉綠體。眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個(gè)過程毫無意義。為了提高這一性能，化學(xué)家們提供了能促使反應(yīng)在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當(dāng)這種媒介，當(dāng)然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應(yīng)要進(jìn)行還需要特定的溫度條件和氣壓。

產(chǎn)氫新途徑

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)找到了加速水電解的另一個(gè)好方法。在光解水制氫過程中，半導(dǎo)體催化劑扮演著非常重要的作用。半導(dǎo)體材料在接受到太陽光以后將產(chǎn)生攜帶能量的激發(fā)態(tài)正負(fù)電荷，使得水通過還原和氧化反應(yīng)生成氫氣和氧氣。“硅”是地球上儲量最高且在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，早已有報(bào)道預(yù)言可用于光解水制氫技術(shù)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰團(tuán)隊(duì)巧妙地利用納米制造技術(shù)，從而發(fā)現(xiàn)硅材料的激發(fā)態(tài)電荷平均壽命及光催化產(chǎn)氫效率與其表面化學(xué)鍵緊密相關(guān)。另一方面，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)該過程產(chǎn)生的氫氣和氧氣的比例遠(yuǎn)高于常規(guī)思維中的比例，并通過中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊教授課題組的理論模擬，揭示該過程與傳統(tǒng)的光催化產(chǎn)氫機(jī)制有所不同。基于該系列發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)首次揭開了硅材料“光解水制氫”機(jī)制的“神秘面紗”。

在理解作用機(jī)制之后，研究人員開發(fā)出了一類基于常規(guī)半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的表面化學(xué)處理方法，為調(diào)控位于硅材料表面的化學(xué)鍵狀態(tài)提供了簡捷途徑，得以理性地調(diào)變其光催化制氫性能。該研究提出了新的表面工程思路，為開發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑鋪筑有效道路，并將拓展人們對化學(xué)轉(zhuǎn)化中電荷運(yùn)動“微觀引擎”的控制能力，對高效催化劑的理性設(shè)計(jì)具有重要推動作用。

實(shí)驗(yàn)實(shí)內(nèi)模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個(gè)巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產(chǎn)成為可能，并使太陽能利用步入新的時(shí)代。實(shí)現(xiàn)工程化產(chǎn)氫的那一天已不再遙遠(yuǎn)！氫氣的獲得也將為燃料電池等帶來更廣泛的應(yīng)用。