李燦團隊：構建生產綠色能源的“氫農場”

　　 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《德國應用化學》發表的一項成果，吸引了國內外業界的廣泛關注。他們提出并驗證了一種新的太陽能分解水規模化制氫策略——“氫農場”策略，并創造了太陽能光催化分解水制氫效率的新紀錄。

　　“氫農場”策略類似于農場種莊稼，即春天大面積播種后，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。

　　“太陽能光催化分解水制氫是被國際上認為非常理想的生產綠色氫能的過程。”李燦在接受《中國科學報》采訪時說，他們的研究把光催化劑做成納米顆粒分散到水里，經太陽光照射水分解就可產生氫氣和氧氣。不過，這種制氫方式實現大規模工業化應用卻面臨巨大挑戰。

　　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是為未來能源革命的重要方向。太陽能分解水制氫，目前世界上主要有三大途徑，一條是很接近規模化工業應用的，主要以太陽能電池發電，再用電解技術等把水分解成氫氣和氧氣；另一種途徑叫光電催化分解水制氫；第三種途徑是光催化分解水，這種途徑工藝雖然簡單，但實現規模化生產技術難度最大。

　　“氫農場”策略需要解決兩個關鍵問題，一是如何高效地利用水氧化反應把太陽能儲存起來；二是如何抑制光催化劑表面生成的氧化態和還原態儲能介質之間的逆反應。

　　通過李燦的講述，記者了解到，早在2001年，該所太陽能制氫的相關實驗室便已建成，經過前后20年的研究積累，最終取得如今的成績。

　　在這場馬拉松式的“競賽”中，科學家遇到很多難題，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，是李燦給出的四個字——“道法自然”。

　　五六年前，農業種莊稼的過程給了團隊靈感。他們從大面積莊稼種植的角度思考，綠色植物的自然光合作用的第一步發生的就是分解水反應，將水分解為氧氣和質子及高能電子，氧氣釋放到大氣中，質子參與后面的碳固定反應合成糖類等生物質，整個過程既不需要密封，也不需要收集氣體，氧氣釋放到空氣里還改善了空氣質量，可以很方便做到大面積的種植。

　　因此，“氫農場”策略也是先捕獲太陽能發生水氧化反應，把氧氣釋放出去，再把儲存的太陽能收集起來，進而集中把氫氣生產出來，這從原理上與種莊稼的過程類似，解決了大規模太陽能光催化制氫應用的技術瓶頸。

　　三大創新展示未來前景

　　“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域應用基礎研究，作為首席科學家，他組織完成了多項太陽能燃料與太陽能電池領域重大科研項目。在他看來，李燦團隊在應對科學和技術挑戰、在成本及可規模化展示上，都做出了“非常漂亮”的工作。

　　從科學和技術挑戰來說，李燦團隊用的是一種叫“釩酸鉍”的黃色半導體光催化材料，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則結構的小單晶，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，高效地把水氧化放出氧氣，還可以同時解決儲能介質（氧化還原對）之間的還原反應，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難題。

　　從成本來講，所用的光催化劑是由一些非貴重金屬元素組成，是相對廉價的材料。并且大面積儲存太陽能的過程不需要收集氣體，反應器也不需要密封。反應器的制造加工成本也低，這為未來實現工業化生產提供了很大的可能性。

　　從可規模化展示上，孫立成覺得，工作中的“反應池”已經有了平方米級的“尺寸”，并且通過太陽光下的試驗，證明“氫農場”這一思路確實可行，未來還可以放大并進一步優化，有希望實現規模化生產。

　　創建大規模工業應用之路

　　“氫農場”體系的太陽能到氫能轉化效率超過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%）。

　　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%、催化劑穩定工作時間超過3000小時，太陽能制氫的成本便與廉價化石資源（例如煤或天然氣）制氫的成本相當，具有與傳統化石資源制氫競爭的成本，可進行大規模工業應用。

　　針對此，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目前還存在效率較低、制氫成本高等問題，不考慮環境和生態成本，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，距離規模化工業應用還有一定距離。”李仁貴說。

　　他表示，目前，“氫農場”制氫效率超過1.8%，還有很大的提升空間，如果在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，也為該領域同行展示了努力的方向。

　　孫立成則表示，通過“氫農場”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，就有希望大規模生產了，最理想的狀態是10%以上，基于目前的成果，大家有信心繼續努力把這個體系做的更好。