中國科大提出光解水制氫的新機制

　　近日，中國科學技術大學教授楊金龍研究組提出了一種新的光解水的催化機制，使得利用紅外光進行光解水制氫成為可能，為今后全頻譜利用太陽能鋪平了道路。該成果發表在最新一期的《物理評論快報》上。

　　利用太陽光分解水制氫，為人類提供清潔燃料，被視為化學的圣杯。水分解是吸熱反應，傳統理論要求光催化劑的能隙至少要大于反應吸熱(1.23eV)，因而占太陽光能量近一半的紅外光無法被吸收用來分解水制氫。

　　楊金龍研究組提出具有內稟電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統理論對催化劑能隙的限制，用紅外光也可以分解水產生氫氣。這種催化劑存在偶極內電場，吸附在催化劑兩個表面上的水分子會感受到不同的靜電勢，從而導致兩個表面上水的氧化還原電勢變得不再相同。如果氧化和還原分別發生在不同的表面，催化劑受到的能隙限制原則上將不再存在。在這一新的光解水機制中，不僅紫外光和可見光，紅外光也可以用來促使水分解產生氫氣。另外，這種催化劑的光激發是一個電荷轉移過程，電子和空穴分別產生在兩個不同的表面，催化劑固有偶極電場有效促進了光生電子空穴對的空間分離，并做功幫助水分解產生氫氣。基于這一機制，他們設計了一種雙層氮化硼納米體系，其兩個表面分別用氫和氟修飾。理論計算與模擬表明這是一種有效的紅外光催化分解水體系。

　　這一工作大大擴展了太陽能轉化為化學能中可利用的太陽光頻譜范圍，有望對未來新能源技術的發展產生重要影響。英國物理學會(IOP)的物理世界網站發專文對此成果進行了介紹和評價。

　　上述研究得到了中國科學院、科技部、教育部和國家基金委的支持。