学习植物的光合作用原理 设计高效人工光催化剂全分解水制氢

   章福祥：中科院大连化物所研究员，主攻“宽光谱可见光催化剂全分解水制氢”这一前沿交叉性课题，针对吸光、电荷分离、催化转化等关键科学问题展开系列研究。

    参赛项目：太阳能宽光谱捕获催化剂全分解水制氢

    大连新闻传媒集团记者谢小芳

    地球每年接收的太阳能总量约12万太瓦，而人类至2050年全年所需能源总和约27太瓦。如果我们能将这么丰富的太阳能，通过光催化技术把绿色试剂水全分解水生成氢气，这将是一条绿色制氢途径，一旦突破将从根本上解决碳减排、实现碳中和目标。中科院大连化物所研究员章福祥从事的正是这方面的研究。

    章福祥介绍说，大家熟知氢气作为清洁能源直接燃烧或变成燃料电池使用，但氢气更广泛重要的需求是重要的化工原料，例如氨是重要的化肥原料，而合成氨则需要大量氢气，又如二氧化碳加氢可以合成甲醇，甲醇可进一步合成汽油，或低碳烯烃，低碳烯烃是合成塑料的重要原料。

    氢气虽然市场需求巨大，但由于水分子非常稳定，所以通过传统热化学方法直接分解水制氢能耗巨大，没有市场价值。“鉴于此，我们需要在室温下将水分解变成氢气的新技术路线，这条技术路线从原理上来讲就是利用半导体光催化剂吸光，将基态电子激发到激发态，这样激发态电子就获得足够能源满足水分解的热力学要求，进而通过表面催化反应实现水分解制氢。原理上虽然可行，但此技术路线面临热力学爬坡，动力学涉及多电子转移等诸多挑战，其核心关键科学技术难题就是要开发高效的宽光谱捕获催化剂。”

    那如何解决以上科学技术挑战呢？“答案就是向自然界学习，学习植物的光合作用原理去设计构筑高效的人工光催化剂。”章福祥说。

    章福祥团队经过长期不断积累，在高效捕光材料设计合成，表界面调控新策略和新技术工艺等方面均取得了很好进展。尤其值得一提的是，在利用催化剂粉末可见光催化全分解水制氢效率方面达到国际领先，在2015年创造国际纪录基础上不断刷新保持了无机半导体可见光催化剂国际最高粉末制氢效率。

    章福祥说：“展望未来，我们对氢能经济充满信心。在不久将来，白天我们可以通过太阳能催化制氢后输送到加氢站提供直接动力使用或者转化成燃料电池使用，而白天用不完的氢气通过储氢罐保存起来供晚上使用，这样就很好解决了太阳能的昼夜差异问题。”