太阳能分解水 构建一片“氢农场”

“氢农场”体系户外实验装置

近日，中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员李灿团队在《德国应用化学》发表的一项成果，引起了业界的关注。他们提出并验证了一种新的太阳能分解水规模化制氢策略——“氢农场”策略，并使太阳能光催化分解水制氢效率创世界纪录。

“氢农场”策略类似于农场种庄稼，春天大面积播种后，利用光合作用过程把太阳能储存在庄稼里，等秋天庄稼成熟后再把粮食集中收割起来。

“太阳能光催化来分解水制氢是被国际上认为非常理想的生产绿色氢能的过程。”李灿在接受《中国科学报》采访时说，他们的研究就是把光催化剂做成纳米颗粒分散到水里，经太阳光照射水分解就可产生氢气和氧气。

不过，据记者了解，这种制氢方式目前要想实现大规模工业化应用仍然面临挑战。

灵感来自“道法自然”

利用太阳能制取清洁的氢能以代替化石燃料，被认为是未来能源革命的重要方向。

太阳能分解水制氢，目前主要有三条途径，第一条以太阳能电池发电为主，利用电解等技术把水分解成氢气和氧气;第二条为光电催化分解水制氢;第三条就是光催化分解水。该途径虽然工艺简单，但实现规模化生产的技术难度较大。

“氢农场”策略就属于第三条途径。其目前需要解决两个关键问题，一是如何高效地利用水氧化反应把太阳能储存起来;二是如何抑制光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的逆反应。

李灿告诉《中国科学报》，早在2001年，中国科学院大连化学物理研究所太阳能制氢的相关实验室便已建成，经过前后20年的研究积累，最终取得如今的成绩。而在这场前后上百人投入的马拉松式的“竞赛”中，也遇到很多难题，如光催化剂效率偏低、直接将氢气和氧气同时释放存在混合爆炸的安全隐患、氢气和氧气的分离和成本等等。

解决这些难题的背后，李灿给出了四个字“道法自然”。

五六年前，为了找到破解之策，农业中大面积种植庄稼的过程给了李灿团队灵感。他们发现，绿色植物光合作用的第一步就是分解水反应，将水分解为氧气和质子及高能电子，氧气释放到大气中，质子参与后面的碳固定反应，合成糖类等生物质。整个过程既不需要密封，也不需要收集气体，氧气的释放还改善了空气质量，很容易实现大面积种植。

因此，“氢农场”策略也是先捕获太阳能发生水氧化反应，把氧气释放出去，再把储存的太阳能收集起来，集中生产氢气。其原理与种庄稼的过程类似，破解了大规模太阳能光催化制氢应用的技术瓶颈。

三大创新展示未来前景

“李灿团队的工作，向同行们展示了未来太阳能分解水制氢的前景，增加了该领域研究者的信心。”提及该项成果，中国科学院外籍院士、瑞典皇家工学院分子器件讲席教授孙立成如此评价。

孙立成长期从事太阳能燃料与太阳能电池科学前沿领域应用基础研究，组织完成了多项太阳能燃料与太阳能电池领域重大科研项目。在他看来，李灿团队在科学和技术挑战、成本及可规模化展示上，都做得“非常漂亮”。

从科学和技术挑战来说，李灿团队用的是一种叫“钒酸铋”的黄色半导体光催化材料，可以吸收一定波长范围的太阳光，把这个材料做成一个个具有规则结构的小单晶，分散到水溶液中，光一照就可以高效地把水氧化成氧气。

“这种做法还是不多见的。”孙立成对《中国科学报》说，其可以利用单晶的不同暴露晶面把电子和空穴在空间上分开，高效地把水氧化成氧气，还可以同时解决储能介质(氧化还原对)之间的逆反应，再用电解的方式把氢气释放出来。这种策略的好处是，氧气和氢气完全分开，解决了光催化分解水体系中氧气和氢气混合在一起的技术难题。

从成本来讲，“氢农场”策略所用的光催化剂由一些非贵重金属元素组成，是相对廉价的材料。而且，大面积储存太阳能的过程不需要收集气体，反应器也不需要密封，反应器的制造加工成本也低，这为未来实现工业化生产提供很大的可能性。

从可规模化展示上，孙立成认为，工作中的“反应池”已经有了平方米级的“尺寸”，并且通过太阳光下的试验，证明“氢农场”这一思路确实可行，未来还可以放大并进一步优化，有希望实现规模化生产。

创建大规模工业应用之路

“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%，是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值(此前最高纪录是1.1%)。这是否意味着该项技术已趋向成熟，很快就可以推广?

美国能源部对化石资源制氢和太阳能分解水制氢成本做过一个粗略估算，若利用纳米颗粒光催化剂的太阳能制氢效率达到10%、催化剂稳定工作时间超过3000小时，太阳能制氢的成本与廉价化石资源(例如煤或天然气)制氢的成本相当，具有与传统化石资源制氢可竞争的成本，可以进行大规模工业应用。

对此，中国科学院大连化学物理研究所研究员李仁贵认为，太阳能分解水制氢技术目前还存在效率较低、制氢成本高等问题，不考虑环境和生态成本的话，太阳能分解水制氢的成本还高于化石资源制氢，尤其是基于粉末纳米颗粒体系的光催化分解水制氢。

“该技术虽然工艺简单、易操作、投资成本低，但是由于其太阳能制氢效率还不够高，距离规模化工业应用还有一定距离。”李仁贵坦言。

他表示，目前，“氢农场”制氢效率超过1.8%，还有很大的提升空间。如果将光催化剂对太阳光的吸收范围从目前钒酸铋材料的520纳米进一步拓展至600纳米以上，甚至700纳米，储能介质的化学电位进一步降低的话，整个体系的太阳能制氢效率达到10%还是有希望的。这项研究验证了这种可行性，也为本领域同行展示了努力的方向。

孙立成则表示，通过“氢农场”的思路，氢气、氧气可以分离，太阳能制氢效率也可以提高。“太阳能制氢效率将来如果能超过6%的话，就有希望大规模生产，最理想的状态是10%以上。基于目前的成果，大家有信心继续努力把这个体系做得更好。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202001438