我國科學(xué)家提出太陽能規(guī)?；纸馑茪涞摹皻滢r(nóng)場”策略

太陽能光催化分解水制氫可將太陽能轉(zhuÇŽn)化并儲存為化學(xué)能，是科學(xué)家們長期以來的夢想。近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李燦院士、李仁貴研究員等人在太陽能可規(guÄ«)?；纸馑茪浞矫嫒〉眯逻M(jìn)展：率先提出并驗(yàn)證了一種全新的基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫的“æ°«è¾²(nóng)å ´”策略，太陽能光催化分解水制氫效率創(chuàng)高紀(jì)錄。研究成果以“基于納米顆粒光催化劑規(guÄ«)模化制氫的一種氫農(nóng)場策略（A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts）”為題，發(fā)表在2020å¹´3月17日《德國應(yÄ«ng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.202001438）上。

李燦院士研究團(tuán)隊(duì)自2001年起致力于太陽能光催化相關(guān)的前沿科學(xué)問題研究，是國內(nèi)早啟動太陽能光催化分解水制氫研究的團(tuán)隊(duì)之一。在國家自然科學(xué)基金委重大項(xiàng)ç›®、重點(diÇŽn)é …(xiàng)目及面上基金（項(xiàng)目批準(zhÇ”n)號：21090340、21633010、 21673230）等項(xiàng)目的支持下，在人工光合成體系的光生電荷分離等關(guān)鍵基礎(chÇ”)科學(xué)問題研究上取得了系列重要進(jìn)展，先后提出異相結(jié)電荷分離機(jÄ«)制（Angew. Chem. Int. Ed., 2008ï¼›Angew. Chem. Int. Ed., 2012）、發(fā)現(xiàn)晶面間光生電荷分離效應(yÄ«ng)（Nature Commun. 2013ï¼›Energy Environ. Sci. 2014）、發(fā)展了高對稱性半導(dÇŽo)體材料的光生電荷分離（Energy Environ. Sci. 2016）和性誘導(dÇŽo)的光生電荷分離新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2020），并自主研發(fā)了光生電荷成像表征新技術(shù)并確認(rèn)了晶面間光生電荷的分離（Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Nature Energy, 2018）等，受到太陽能光催化界的廣泛關(guān)注。在基礎(chÇ”)研究取得進(jìn)展的同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)一直在探索太陽能分解水制氫規(guÄ«)模化應(yÄ«ng)用的示范。

該團(tuán)隊(duì)受自然光合作用原理啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)借鑒農(nóng)場大規(guÄ«)模種植莊稼的思路，率先提出了基于粉末納米粒子光催化劑的太陽能規(guÄ«)模化分解水制氫的“æ°«è¾²(nóng)å ´”（Hydrogen Farm Project, HFP）策略（見圖），是一種不同于上報(bào)道的全新的策略。“æ°«è¾²(nóng)å ´” ç­–ç•¥，是借鑒自然光合作用Z-æ©Ÿ(jÄ«)制將光系統(tÇ’ng)II和光系統(tÇ’ng)I在空間上分離以及光反應(yÄ«ng)和暗反應(yÄ«ng)在空間上分離的原理，將分解水反應(yÄ«ng)中的水氧化反應(yÄ«ng)與質(zhì)子還原反應(yÄ«ng)在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應(yÄ«ng)、規(guÄ«)避了產(chÇŽn)物氫氣和氧氣分離等問題，且水氧化反應(yÄ«ng)器開放，原理上解決了大規(guÄ«)模應(yÄ«ng)用的技術(shù)瓶頸。實(shí)現(xiàn)“æ°«è¾²(nóng)å ´”策略需要解決兩個(gè)é—œ(guān)鍵問題，一是如何實(shí)現(xiàn)高效水氧化光催化過程，二是如何抑制納米光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質(zhì)之間的反應(yÄ«ng)（即逆反應(yÄ«ng)）。近，該研究團(tuán)隊(duì)正是基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調(diào)控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應(yÄ«ng)晶面的暴露比例優(yōu)化光催化水氧化反應(yÄ«ng)性能，在Fe³⁺/Fe²⁺離子對作為儲能介質(zhì)的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達(dá)到60%以上，“æ°«è¾²(nóng)å ´”體系的太陽能到氫能轉(zhuÇŽn)化效率超過1.8%，是目前上報(bào)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高值。同時(shí)，利用釩酸鉍光催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性，使Fe³⁺/Fe²⁺離子對之間的逆反應(yÄ«ng)得到抑制。并利用釩酸鉍光催化劑進(jìn)行了戶外太陽光照射條件下的試驗(yàn)，驗(yàn)證了“æ°«è¾²(nóng)å ´”策略的可行性。該工作展示了利用基礎(chÇ”)研究成果為應(yÄ«ng)用示范提供科學(xué)基礎(chÇ”)的一個(gè)示例。

圖  å¤ªé™½èƒ½è¦(guÄ«)?；纸馑茪涞?ldquo;æ°«è¾²(nóng)å ´”策略示意圖