“氫農(nóng)場”體系戶外實驗裝置

近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員李燦團隊在《德國應(yīng)用化學》發(fā)表的一項成果，引起了業(yè)界的關(guān)注。他們提出并驗證了一種新的太陽能分解水規(guī)模化制氫策略——“氫農(nóng)場”策略，并使太陽能光催化分解水制氫效率創(chuàng)世界紀錄。

“氫農(nóng)場”策略類似于農(nóng)場種莊稼，春天大面積播種后，利用光合作用過程把太陽能儲存在莊稼里，等秋天莊稼成熟后再把糧食集中收割起來。

“太陽能光催化來分解水制氫是被國際上認為非常理想的生產(chǎn)綠色氫能的過程。”李燦在接受《中國科學報》采訪時說，他們的研究就是把光催化劑做成納米顆粒分散到水里，經(jīng)太陽光照射水分解就可產(chǎn)生氫氣和氧氣。

不過，據(jù)記者了解，這種制氫方式目前要想實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)。

靈感來自“道法自然”

利用太陽能制取清潔的氫能以代替化石燃料，被認為是未來能源革命的重要方向。

太陽能分解水制氫，目前主要有三條途徑，第一條以太陽能電池發(fā)電為主，利用電解等技術(shù)把水分解成氫氣和氧氣;第二條為光電催化分解水制氫;第三條就是光催化分解水。該途徑雖然工藝簡單，但實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的技術(shù)難度較大。

“氫農(nóng)場”策略就屬于第三條途徑。其目前需要解決兩個關(guān)鍵問題，一是如何高效地利用水氧化反應(yīng)把太陽能儲存起來;二是如何抑制光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質(zhì)之間的逆反應(yīng)。

李燦告訴《中國科學報》，早在2001年，中國科學院大連化學物理研究所太陽能制氫的相關(guān)實驗室便已建成，經(jīng)過前后20年的研究積累，最終取得如今的成績。而在這場前后上百人投入的馬拉松式的“競賽”中，也遇到很多難題，如光催化劑效率偏低、直接將氫氣和氧氣同時釋放存在混合爆炸的安全隱患、氫氣和氧氣的分離和成本等等。

解決這些難題的背后，李燦給出了四個字“道法自然”。

五六年前，為了找到破解之策，農(nóng)業(yè)中大面積種植莊稼的過程給了李燦團隊靈感。他們發(fā)現(xiàn)，綠色植物光合作用的第一步就是分解水反應(yīng)，將水分解為氧氣和質(zhì)子及高能電子，氧氣釋放到大氣中，質(zhì)子參與后面的碳固定反應(yīng)，合成糖類等生物質(zhì)。整個過程既不需要密封，也不需要收集氣體，氧氣的釋放還改善了空氣質(zhì)量，很容易實現(xiàn)大面積種植。

因此，“氫農(nóng)場”策略也是先捕獲太陽能發(fā)生水氧化反應(yīng)，把氧氣釋放出去，再把儲存的太陽能收集起來，集中生產(chǎn)氫氣。其原理與種莊稼的過程類似，破解了大規(guī)模太陽能光催化制氫應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

三大創(chuàng)新展示未來前景

“李燦團隊的工作，向同行們展示了未來太陽能分解水制氫的前景，增加了該領(lǐng)域研究者的信心。”提及該項成果，中國科學院外籍院士、瑞典皇家工學院分子器件講席教授孫立成如此評價。

孫立成長期從事太陽能燃料與太陽能電池科學前沿領(lǐng)域應(yīng)用基礎(chǔ)研究，組織完成了多項太陽能燃料與太陽能電池領(lǐng)域重大科研項目。在他看來，李燦團隊在科學和技術(shù)挑戰(zhàn)、成本及可規(guī)模化展示上，都做得“非常漂亮”。

從科學和技術(shù)挑戰(zhàn)來說，李燦團隊用的是一種叫“釩酸鉍”的黃色半導(dǎo)體光催化材料，可以吸收一定波長范圍的太陽光，把這個材料做成一個個具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的小單晶，分散到水溶液中，光一照就可以高效地把水氧化成氧氣。

“這種做法還是不多見的。”孫立成對《中國科學報》說，其可以利用單晶的不同暴露晶面把電子和空穴在空間上分開，高效地把水氧化成氧氣，還可以同時解決儲能介質(zhì)(氧化還原對)之間的逆反應(yīng)，再用電解的方式把氫氣釋放出來。這種策略的好處是，氧氣和氫氣完全分開，解決了光催化分解水體系中氧氣和氫氣混合在一起的技術(shù)難題。

從成本來講，“氫農(nóng)場”策略所用的光催化劑由一些非貴重金屬元素組成，是相對廉價的材料。而且，大面積儲存太陽能的過程不需要收集氣體，反應(yīng)器也不需要密封，反應(yīng)器的制造加工成本也低，這為未來實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供很大的可能性。

從可規(guī)模化展示上，孫立成認為，工作中的“反應(yīng)池”已經(jīng)有了平方米級的“尺寸”，并且通過太陽光下的試驗，證明“氫農(nóng)場”這一思路確實可行，未來還可以放大并進一步優(yōu)化，有希望實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

創(chuàng)建大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用之路

“氫農(nóng)場”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前國際上報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值(此前最高紀錄是1.1%)。這是否意味著該項技術(shù)已趨向成熟，很快就可以推廣?

美國能源部對化石資源制氫和太陽能分解水制氫成本做過一個粗略估算，若利用納米顆粒光催化劑的太陽能制氫效率達到10%、催化劑穩(wěn)定工作時間超過3000小時，太陽能制氫的成本與廉價化石資源(例如煤或天然氣)制氫的成本相當，具有與傳統(tǒng)化石資源制氫可競爭的成本，可以進行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

對此，中國科學院大連化學物理研究所研究員李仁貴認為，太陽能分解水制氫技術(shù)目前還存在效率較低、制氫成本高等問題，不考慮環(huán)境和生態(tài)成本的話，太陽能分解水制氫的成本還高于化石資源制氫，尤其是基于粉末納米顆粒體系的光催化分解水制氫。

“該技術(shù)雖然工藝簡單、易操作、投資成本低，但是由于其太陽能制氫效率還不夠高，距離規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用還有一定距離。”李仁貴坦言。

他表示，目前，“氫農(nóng)場”制氫效率超過1.8%，還有很大的提升空間。如果將光催化劑對太陽光的吸收范圍從目前釩酸鉍材料的520納米進一步拓展至600納米以上，甚至700納米，儲能介質(zhì)的化學電位進一步降低的話，整個體系的太陽能制氫效率達到10%還是有希望的。這項研究驗證了這種可行性，也為本領(lǐng)域同行展示了努力的方向。

孫立成則表示，通過“氫農(nóng)場”的思路，氫氣、氧氣可以分離，太陽能制氫效率也可以提高。“太陽能制氫效率將來如果能超過6%的話，就有希望大規(guī)模生產(chǎn)，最理想的狀態(tài)是10%以上。基于目前的成果，大家有信心繼續(xù)努力把這個體系做得更好。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202001438

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