中國科大設計出首個光解水制氫儲氫一體化系統(tǒng)

中國科學技術大學教授羅毅、江俊與趙瑾等合作，利用第一性原理計算，設計出首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系，該體系具有低成本、通用性、安全儲氫的優(yōu)點，有助于實現(xiàn)太陽能光解水制氫的大規(guī)模應用。該成果最近發(fā)表在《自然—通訊》雜志上。

長期以來光解水制氫技術的發(fā)展停滯不前，主要原因是光解水制氫過程中逆反應嚴重，氫氣難以分離和收集、難以安全存儲、存儲成本高等。

科研人員利用石墨烯隔絕氣體和液體，卻能讓質子通過的特性，設計了二維碳氮材料與石墨烯材料復合的三明治結構，將碳氮材料夾在兩層石墨烯中。該材料可吸收紫外光和可見光，利用光能產(chǎn)生激子，光生激子分離形成正負電荷并分別分布于外層石墨烯和碳氮“夾心”層。石墨烯表面的水分子在正電荷的幫助下發(fā)生分解，產(chǎn)生質子。這些質子可穿透石墨烯材料，運動到內部的二維碳氮材料上，并且遇到電子后反應產(chǎn)生氫氣。該體系抑制了氧與氫重新變?yōu)樗哪娣磻l(fā)生，實現(xiàn)了高儲氫率下的安全儲氫。

江俊介紹說，這一復合材料體系以較低的成本，巧妙地抑制了光解水制氫的逆反應，實現(xiàn)了氫氣的有效提純。不僅僅局限于石墨烯和碳氮材料，其他如富勒烯、碳納米管等和光催化劑也可以用于這一復合體系中。這為實現(xiàn)太陽能裂解水轉換為氫能創(chuàng)造了可能，并進而有助于氫能的大規(guī)模應用。