太陽(yáng)能高效制氫催化劑問世

:作為清潔低碳、安全高效的燃料，氫將取代化石燃料成為人類未來的主要能源之一。2019年，“推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”首次被寫入我國(guó)《政府工作報(bào)告》，燃料電池“元年”拉開序幕。此外，制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)氫三大成本難題也有望在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，以及即將出臺(tái)的國(guó)家級(jí)氫燃料電池汽車專項(xiàng)規(guī)劃中逐步得以解決。

從技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)看，純電動(dòng)汽車更適用于城市、短途、乘用車等領(lǐng)域，而氫燃料電池汽車可能更適用于長(zhǎng)途、大型、商用車等領(lǐng)域。目前，我國(guó)氫燃料電池汽車保有量超過6000輛，根據(jù)戰(zhàn)略目標(biāo)，2020年將達(dá)到10000輛，2030年有望增長(zhǎng)到200萬(wàn)輛。

隨著氫燃料電池汽車的推動(dòng)發(fā)展，未來氫在船舶、無人機(jī)、數(shù)據(jù)中心等交通及儲(chǔ)能、電力領(lǐng)域?qū)⒂兄薮蟮膽?yīng)用潛能。而制氫成本的降低、效率的提升及低碳化將成為綠氫產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的制氫方法中，通過化石燃料制取的氫占全球90%以上，需要消耗大量的能源，并排放二氧化碳加劇全球生態(tài)環(huán)境的惡化。太陽(yáng)能制氫技術(shù)因低碳且成本下降潛力大而深受青睞，尤其是光解技術(shù)越過常用的電氫轉(zhuǎn)化技術(shù)，使得氫制備進(jìn)一步脫離了對(duì)二次能源的依賴。

目前，常用的太陽(yáng)能制氫技術(shù)主要有電解、熱解和光解法。為了尋找經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用的太陽(yáng)能制氫方法，各國(guó)學(xué)者們都在積極探索。據(jù)報(bào)道，美國(guó)HyperSolar正在開發(fā)的一種具有成本效益和變革性的光解制氫系統(tǒng)，試圖通過光吸收材料、催化劑和系統(tǒng)工程的創(chuàng)新，以解決現(xiàn)有光電化學(xué)技術(shù)對(duì)耐久性的限制，進(jìn)而提升氫氣生產(chǎn)效率并降低系統(tǒng)成本。

前不久，澳大利亞幾所大學(xué)聯(lián)合發(fā)布了一項(xiàng)研究成果稱：可以采用鐵和鎳等低成本催化劑，它們不僅可以加速水中氫氧分離的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，還能降低此過程所消耗的能量。迄今為止，人們普遍認(rèn)為“水分解”過程中的標(biāo)準(zhǔn)催化劑是貴金屬釕、鉑和銥，而這一發(fā)現(xiàn)證明了地球上現(xiàn)存豐富的鐵和鎳也可以取代此類貴金屬材料，無疑降低了制氫的原料成本。

近日，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研究人員首次開發(fā)出了一種可有效吸收陽(yáng)光的催化劑，并能將太陽(yáng)能快速有效地轉(zhuǎn)化成為氫能。據(jù)稱，該催化劑來源于貴金屬銠，它可以從整個(gè)可見太陽(yáng)光譜中吸收能量，并能充分利用太陽(yáng)能并將其存儲(chǔ)為化學(xué)能以備后用，其對(duì)太陽(yáng)能的利用效率更可比當(dāng)前提升50%左右。

該研究團(tuán)隊(duì)指出，新型催化劑可以使用來自太陽(yáng)的光子并將其轉(zhuǎn)化為氫。光子是包含能量的太陽(yáng)光基本粒子，該催化劑從太陽(yáng)光譜中收集的能量，包括從前很難收集到的低能量的紅外光。該制備系統(tǒng)能夠使分子處于激發(fā)態(tài)，在該狀態(tài)下其吸收光子并能夠存儲(chǔ)兩個(gè)電子以產(chǎn)生氫，這一過程既快速又高效。

據(jù)介紹，將兩個(gè)電子存儲(chǔ)在源自兩個(gè)光子的單個(gè)分子中，一起使用以制得氫氣，至今仍是首例。此前，大多數(shù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫的試驗(yàn)都集中在紫外線等陽(yáng)光中較高能量波上，且依賴于由兩個(gè)或多個(gè)分子構(gòu)成的催化劑，這些分子在利用太陽(yáng)能發(fā)電為燃料時(shí)交換能量（即電子），但在這一交換過程中會(huì)產(chǎn)生能量的損失，進(jìn)而降低整體利用效率。

在此次試驗(yàn)中，該研究團(tuán)隊(duì)嘗試用一個(gè)分子（一種元素銠的形式）制造催化劑，這表示在交換過程中將損失更少的能量，并能夠從整個(gè)可見光譜中收集能量。研究人員使用LED將光照射到含有活性分子的酸性溶液上，氫氣隨之便產(chǎn)生了。通過進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)在低能量的近紅外光下的效率比以前利用紫外線光子的單分子系統(tǒng)高出了25倍左右。

誠(chéng)然，這一發(fā)現(xiàn)有助于全球加快向可再生能源的過渡，但因?yàn)樵摯呋瘎﹣碓从谫F金屬銠，其價(jià)格比較昂貴，目前并不便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。因此，在該項(xiàng)研究成果切實(shí)落地之前，還有許多問題有待解決。據(jù)介紹，該研究團(tuán)隊(duì)接下來將努力嘗試改善該催化劑以增加其使用壽命，同時(shí)極力尋找更為便宜的可替代材料，以進(jìn)一步降低材料及系統(tǒng)成本，推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

原標(biāo)題:太陽(yáng)能高效制氫催化劑問世