中國和以色列合作開發太陽能制氫新技術

中國和以色列研究人員開發出一種利用太陽光分解水制氫的新技術，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，產生的過氧化氫經催化作用再分解水和氧氣。研究人員認為，相比以往的太陽能制氫方法，該技術具有更高的轉換效率且成本更低，是目前最可行的光解技術之一，而且該技術的提升空間顯著。

長期以來，太陽能制氫都具有很大的挑戰性。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是一個復雜的四電子過程，大約需要2 伏的電壓才產生明顯的反應速率。根據目前的技術水平，達到這一電壓值需要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工業化生產。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，以及由副反應產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，其轉化效率約為5%，但其最大的缺點是在僅僅1 小時內便會失活。雖然C3N4光催化劑的太陽能到氫氣的轉換效率只有2%，但其壽命和穩定性具有突出優點，經過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催化劑吸收更多的太陽光。

據研究人員計算，C3N4光催化劑的轉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——該數值遠低于美國能源部4 美元/公斤的預期目標。即使在現階段，利用該催化劑的制氫成本也只有4 美元/公斤。因此，該太陽能制氫技術有望獲得大規模應用。另外，由于過氧化氫本身是一種有價值的工業漂白劑和消毒劑，如果可以將產生的過氧化氫加以收集利用，該技術的制氫成本將進一步下降。