利用紅外光進行光解水制氫成為可能

文/吳長鋒 曾 皓

中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室、化學與材料科學學院楊金龍教授研究組最近提出了一種新的光解水催化機制，使得利用紅外光進行光解水制氫成為可能，為今后利用太陽光所有頻率的能量鋪平了道路。

用太陽光分解水制氫，為人類提供清潔燃料，一直被視為化學的“圣杯”。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)理論要求光催化劑吸收的單個光子能量至少要大于反應(yīng)吸熱，因而占太陽光能量近一半的紅外光因為單個光子能量太低，無法被吸收來分解水制氫。

楊金龍研究組提出本身具有電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對催化劑吸收單個光子能量的限制，用紅外光也可以分解水產(chǎn)生氫氣。這種催化劑內(nèi)存在的偶極會產(chǎn)生內(nèi)電場，吸附在催化劑兩個表面上的水分子會感受到不同的靜電環(huán)境，從而導(dǎo)致兩個表面上水發(fā)生氧化還原的條件變得不再相同。如果氧化和還原分別發(fā)生在不同的表面，催化劑受到的最小單光子能量的限制原則上將不再存在。在這一新的光解水機制中，不僅紫外光和可見光，紅外光也可以用來促使水分解產(chǎn)生氫氣。另外，這種催化劑的光激發(fā)是一個電荷轉(zhuǎn)移過程，電子和空穴分別產(chǎn)生在兩個不同的表面，催化劑固有偶極電場有效促進了光照產(chǎn)生的電子和空穴的空間分離，并做功幫助水分解產(chǎn)生氫氣。基于這一機制，他們設(shè)計了一種雙層氮化硼納米體系，其兩個表面分別用氫和氟修飾。

基于這一技術(shù)，可以通過高效光解水制氫在燃料電池汽車方面獲得應(yīng)用。原則上，通過太陽能、電能、化學能等能量形式的相互轉(zhuǎn)換，這一研究中提出的原理也可以廣泛用在其他新能源技術(shù)中。