哈工大在光催化分解水制氢研究方面取得新进展

　　氢能已被普遍认为是一种理想、无污染的绿色能源，其燃烧值高且燃烧后唯一的产物是水，对环境不会造成任何污染，因此，氢能开发是解决能源危机和环境问题的理想途径。在众多氢能开发的手段和途径中，通过光催化剂，利用太阳能光催化分解水制氢是最为理想和最有前途的手段之一;而开发高效、廉价的实用光催化剂是实现这一过程的关键，也成为当前国际能源材料领域的研究热点之一。

　　近日，在国家自然科学基金的资助下，哈尔滨工业大学教授陈刚课题组在光催化分解水制氢研究方面取得重要进展，相关成果发表于国际化学领域高影响因子杂志《化学通讯》。

　　水中取“火”的梦想

　　周末阳光明媚，李先生决定带着全家去郊外春游。他从自来水龙头接了一桶水，加入到自己家中的太阳能分解水制氢装置中。“今天出远门，要多加些氢。”李先生心想，正好还要给车拉一拉高速，试试这辆用分解水制得的氢作为动力的新型汽车的性能。

　　这一幕今天还是人们开发和利用新能源的梦想，但也许不远的将来，这一梦想将成为现实。

　　随着太阳能研究和利用的发展，人们已开始利用太阳能分解水来制取氢气。科学家将催化剂放入水中，在阳光照射下，催化剂吸收光子形成电子空穴对，与水发生氧化还原反应生成氢气和氧气。研究人员预计，一旦更有效的催化剂问世，水中取“火”——制取氢就成为可能。到那时，只要人们在分解水制氢装置中加入光催化剂，在阳光照射下，水便不断地分解出氢，把其装入汽车、飞机的“油箱”中即可作为高效、清洁又廉价的动力源使用。

　　打开梦想之门的钥匙

　　“通俗地说，光催化分解水制氢就是把光催化剂放入水中，在光照的条件下，使水分解来得到氢。我们的研究工作主要是在光催化剂制备方面，目前已经取得了阶段性的成果。”陈刚对《科学时报》记者说。

　　氢能是一种绿色能源，现在制取氢的方法很多，有通过化石燃料制氢的，有利用生物(微生物、菌类、藻类等)制氢的，还有一类是分解水制氢。

　　据陈刚介绍，每种制氢的方法都各有利弊。现在，实际生产生活中应用的氢绝大部分是利用化石燃料及电解水制得的，但前者不能从根本上解决能源短缺和环境污染问题，后者耗能较多，成本偏高。生物制氢和光催化分解水制氢均符合绿色环保的要求及可持续发展的理念，但目前两者还都处于实验室研究阶段。对光催化分解水制氢来说，当前面临的主要问题是量子产率(体系吸收每一个光子所引发的某种事件的数目)和对可见光响应。解决这一问题的关键，就是催化剂的选择和制备。陈刚课题组制备的光催化剂——一种硫化物系的新型光催化剂(ZnS-In2S3 -Ag2S纳米多孔固溶体光催化剂)在量子产率和可见光响应上均有很大改善。

　　新催化剂的创新点

　　陈刚说：“我们是在没有使用表面活性剂的条件下，一步合成了高比表面积的纳米多孔球型材料。此外，在传统的光催化分解水制氢中，催化剂通常要负载一定量的助催化剂，而助催化剂一般都是贵金属，比如铂等，这样一来，反应成本就高了。而我们制备的催化剂无需负载，这样就降低了成本，而且制氢的产率也有明显提高。”

　　陈刚领导的课题组多年来一直从事光催化分解水制氢及能量转换材料方面的研究工作，近3年来，在《化学通讯》、《纳米技术》、《化学物理》、《化学电源》和《国际氢能》等知名国际刊物上发表SCI论文40余篇，申请国家发明ZL9项。

　　2009年以来，该课题组已被接收出版的影响因子大于2.7的论文就达7篇。目前，他们采用溶剂热自组装方法合成了ZnS-In2S3-Ag2S纳米多孔固溶体光催化剂，该催化剂利用的是太阳能中的可见光部分(可见光在太阳光中占43%)，其表观量子产率达19.8%，对太阳能的转化利用率高。

　　此外，课题组还采用水热法制备了Sr2Ta2O7纳米片光催化剂，与固相法制备的块体Sr2Ta2O7材料相比，其分解水制氢催化活性提高了35倍。相关工作已发表在氢能领域的知名杂志《国际氢能》上。

　　“虽然目前光催化分解水制氢还处于理论研究阶段，但这一方法具有潜在的实用前景。我们用新的研究方法和手段，设计制备了一系列新型分解水光催化剂，为进一步开发高效廉价的太阳能分解水光催化剂，促进太阳能分解水制氢技术的实用化提供了新的借鉴和思路。”陈刚说。