氢吗?只要加水和阳光

氢被认为有潜力成为未来经济的超清洁燃料。不太可能被提及的是，96%的氢是从天然气、煤炭或其他化石燃料中产生的——使用可再生电力生产氢太昂贵了。为了充分发挥氢的潜能，我们需要更好的方法将水分解成氢和氧。东京大学/Shinshu大学的Kazunari Domen教授正在研究如何改进一种只利用水和阳光产生氢气的方法:光催化。

氢已经被称为未来的超清洁燃料。如果你开一辆氢燃料汽车，只有水会从排气管排出。

但有问题。大约96％的世界氢是由化石燃料形成的，其中大部分是由天然气的蒸汽重整产生的。甲烷除去了其氢原子，形成氢气，并用氧形成二氧化碳代替，该二氧化碳是温室气体。一吨氢气以牺牲为代价产生9至12吨二氧化碳。

确实有生产氢的方法不依赖化石燃料——电解水可能是更著名的产氢方法。然而，它的能源消耗意味着产生氢气的成本大约是天然气中氢气的两倍。因此，世界上只有4%的氢是通过电解生产的。

论文的
如果氢气真的将成为低碳未来燃料，甚至是绿色经济的一小部分，我们需要另一种方法来生产氢气。

光催化剂是一种半导体材料，可以吸收光并利用收集到的能量催化反应。光催化剂因其仅利用阳光就能将水转化为氢和氧的能力而开始受到研究关注。

用于水分解的光催化剂通常是一种细粉末。在实验室规模下，颗粒光催化剂通常悬浮在水中，这样粉末就分布在整个体积的水中。

扩大
但这个系统能在更大范围内发挥作用吗?悬浮颗粒反应堆需要浅水，但即使是1厘米深的水，反应堆中的水的重量也会是每平方米10公斤。这非常薄的一层水需要不断搅拌来保持悬浮状态，这对于大面积的水来说是困难的。因此，这项技术的规模越大，它发挥作用的可能性就越小。

东京大学的Kazunari Domen教授正在研究这些光催化剂的可扩展性问题的解决方案。他的研究集中在一种更可扩展的方法上:“固定颗粒光催化剂”。他的团队建造了一个由两块亚克力板组成的反应器，两块板之间有空间，可以在放在玻璃片上的光催化剂上放置一层薄薄的水。光催化剂被固定在“光触媒片”上，而不是在水中搅动。

如果氢气真的是低碳未来燃料......我们需要可扩展和低成本的方法来生产氢没有CO₂生产。

2019年，多门教授公布了他的团队实验室规模测试的细节，最初是在深度为1毫米的明亮紫外光照明下，使用更小的5 × 5厘米的光触媒片。光催化剂为“铝掺杂锶钛氧化物”(SrTiO_3.：Al），是使用阳光在环境压力下的水分分裂最活跃的光催化剂之一 - 对于现实世界应用的良好性质。

通过台阶式测试，证实了固定面板光催化剂方法是可行的——能够以合理的速度释放氢和氧，Domen和他的团队建造了几个总面积为1米的更大的面板反应堆²，证明固定颗粒片的可扩展性。

一个只有1毫米水的面板能够快速产生氢和氧，而不需要搅拌或强迫对流通过反应堆。但如何有效吗?Domen关注的关键数字是太阳能到氢能源转换效率(STH)。

在天然阳光下，面板的STH约为0.4％，与模拟阳光下的实验室规模实验中的STH相当。然而，估计商业光催化太阳能氢气产量约为5-10％的特性，以在经济上可行。

调优的光催化剂
Domen的最新研究，发表在自然，演示了利用SrTiO构建高效光催化剂粒子的方法_3.：AL作为典型的例子。光催化剂必须具有高表观量子产率（AQY），测量引入反应器中的光子的效率用于水分解反应。AQY值很重要，因为重要的是改善STH值 - 太阳能到氢转换。

在过去的几年里，各种改进改善了这款光催化剂的AQY至69％。最后一个AQY在350-360nm达到95％以上，这几乎是AQY的上限，因为它意味着近100％的内部量子产量（IQY）。IQY是光催化剂本身吸收的光子利用的效率。

该方法涉及使用称为光素的制造方法在颗粒状光催化剂的合适位置定位铑，铬和钴等有效的助催化剂。

之所以选择这些共催化剂，是因为它们对于水裂解反应的特定部分具有高度的活性:铑-铬氧化物用于析氢步骤，钴氧化物用于析氧步骤。

当共催化剂被添加到光催化剂中时，它们通常是随机分布在光催化剂材料中。光沉积使得将助催化剂直接分布在光催化剂颗粒表面的适当切面成为可能。通过这种方法，Domen的团队能够创造出一种光催化剂，在不同的表面上有理想的共催化剂分布;一些是铑和铬，一些是钴。

该理论认为，在结晶良好的光催化剂粒子内部存在电场，光激发电子和空穴通过几百纳米的长度被带到不同的层面。电子到达由铑和铬组成的析氢助催化剂，利用质子立即产生氢分子，空穴到达由钴组成的析氧助催化剂，利用羟基阴离子产生氧分子。

在制造了这种光催化剂并反复测试其反应的重复性之后，多门的团队找到了他们想要的东西。它的AQY值是所有水分解光催化剂中最高的，在波长为360 nm的近紫外光下高达95.9%。

一个只有1毫米水的面板能够在不需要搅拌的情况下快速产生氢和氧。

访问可见频谱
这些超高的AQYS是对重要事项的确认：颗粒状光催化剂可以在非常高的QY下驱动整个水分裂反应。事实上，Domen的光催化剂可以像大自然一样高效地分割水，因为大自然是最佳的等价物：光合作用。

至少在某些情况下是这样的。不同之处在于，在光合作用中，光子被利用的频率范围非常广，在水分解反应中贯穿可见光和近紫外光的光谱。相比之下，Domen的SrTiO版本_3.铝光催化剂在近紫外光下工作良好，但其在可见光区光子的AQY下降:在380 nm -紫外和可见光的边界-催化剂的AQY只有33.6%，这是由于只吸收紫外光。

在模拟阳光下，光催化剂只能给出0.65%的STH。这并没有触及5-10%的目标，但它永远不会。问题是STH可以从SrTiO获得_3.:即使在380 nm以下的所有波长区域AQY达到100%，Al光催化剂的限制在1.4%以下。

这是因为使用的光催化剂只吸收紫外光。Domen的催化剂的AQY值接近100%，这表明通过调整助催化剂的组成和分布，其他具有可见光吸收的光催化剂也可以获得类似的AQY值增长。

Non-oxide催化剂
这项研究的下一步是对可见光活性水裂解光催化剂进行相同的过程。一些非氧化物光催化剂，如Ta_3.N₅和Y₂“透明国际”₂O₅年代₂已被报告为有效的候选人。

目前，这些光催化剂的AQYs约为0.1%。然而，Domen乐观地认为，如果这些催化剂的改进能达到与SrTiO类似的规模_3.那么他们就很容易达到并超过5-10%的STH目标。用他自己的话来说，他的实验室“致力于开发这种创新的、必不可少的光催化剂”。

多门的最新研究不仅有希望，而且令人兴奋。它是利用光催化剂在阳光下分解水的一个证明概念，也是通向真正清洁氢气生产的一个路标。