將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為氫氣似乎是解決世界能源挑戰(zhàn)的理想方法。這一過(guò)程不直接涉及化石燃料或產(chǎn)生任何溫室氣體排放。由此產(chǎn)生的氫氣可以為車輛、輪船和火車上的燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力；它可以供給電網(wǎng)，也可以用來(lái)制造化學(xué)品和鋼鐵。不過(guò)，目前，清潔能源的愿景主要存在于實(shí)驗(yàn)室。
最近，日本研究人員表示，他們?cè)诶锰?yáng)能制造大量氫氣方面邁出了重要一步。長(zhǎng)野信州大學(xué)（Shinshu University in Nagano）的研究小組研究吸收光的材料來(lái)分解水中的氫和氧分子?，F(xiàn)在他們已經(jīng)開發(fā)出一種兩步法，這種方法在光催化反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的效率大大提高。
研究人員從氮氧化鉭鋇（BaTaO2N）開始，這是一種半導(dǎo)體材料，可以吸收高達(dá)650納米的光（紅色橙色端的可見(jiàn)波長(zhǎng)）。這種粉末狀物質(zhì)作為光催化劑，利用太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。他們還用甲醇水溶液代替水，這使得他們只關(guān)注氫成分，減少了反應(yīng)的復(fù)雜性。
BaTaO2N本身很難從溶液中“析出”氫氣。因此，使用他們的新方法，研究團(tuán)隊(duì)用鉑基助催化劑“裝載”粉末顆粒，以提高化學(xué)活性。
結(jié)果，根據(jù)他們?cè)凇蹲匀煌ㄓ崱冯s志上發(fā)表的論文顯示，這種材料釋放氫氣的效率比用傳統(tǒng)方法裝載鉑的BaTaO2N高出100倍。
這項(xiàng)研究的合著者Takashi Hisatomi表示，這一結(jié)果在這一研究領(lǐng)域是一個(gè)“了不起的發(fā)現(xiàn)”。Hisatomi是日本長(zhǎng)野信州的超材料研究計(jì)劃的教授，他研究BaTaO2N已有近十年的歷史。“這對(duì)我個(gè)人來(lái)說(shuō)是非常令人興奮的，”他說(shuō)，“這是100倍的進(jìn)步?！?br /> 太陽(yáng)能專家稱，更容易或更有效地制造氫氣的努力是“圣杯之旅（Holy Grail quest）”。當(dāng)用在燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車或建筑中時(shí)，這種無(wú)味的氣體不會(huì)產(chǎn)生排放物或空氣污染，只產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)熱量和水。然而，現(xiàn)在幾乎所有的氫氣都是通過(guò)使用天然氣的工業(yè)過(guò)程制造的，天然氣最終會(huì)將更多的排放物注入大氣。少數(shù)設(shè)施可以利用可再生電力分解水分子來(lái)制造“綠色”氫氣，但這一過(guò)程本身是能源密集型的。如果科學(xué)家能直接從太陽(yáng)能量中提取氫氣，他們就可以繞過(guò)這一昂貴的步驟。
在比利時(shí)，Katholieke Universiteit Leuven的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)太陽(yáng)能電池板，它可以收集空氣中的水分，然后利用化學(xué)和生物成分直接在表面分解水分。研究人員設(shè)想將這些面板放在房屋頂部，讓人們用現(xiàn)場(chǎng)制造的氫氣為家里供暖。另外，以色列和意大利科學(xué)家正在推進(jìn)從太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換中提取盡可能多氫氣的方法。這個(gè)國(guó)際組織已經(jīng)開發(fā)出棒狀納米顆粒，頂端有鉑球，可以防止氫和氧在分子分離后重新結(jié)合。
在信州，研究人員試圖通過(guò)沉積鉑基共催化劑來(lái)提高BaTaO2N光催化劑的效率。但Hisatomi說(shuō)，傳統(tǒng)的方法一開始并不有效。
例如，在浸漬還原過(guò)程中，表面填充含有金屬前體的溶液，然后經(jīng)受高溫，高溫蒸發(fā)溶劑并留下金屬催化劑。當(dāng)Shinshu團(tuán)隊(duì)在BaTaO2N顆粒上應(yīng)用鉑微粒時(shí)，這些微粒趨向于聚集，從而限制了材料之間的電子相互作用。另一種稱為光沉積的方法，導(dǎo)致BaTaO2N和共催化劑之間的接觸較弱，從而削弱了相互作用。
所以研究人員將這兩種方法結(jié)合起來(lái)。首先，他們用浸漬還原法只沉積了少量的共催化劑，這就阻止了顆粒的聚集。然后，他們用光沉積法涂上第二層；這一次，微粒生長(zhǎng)在第一步種植的廣泛散布的“種子”上。Zheng Wang和Ying Luo分別在Kazunari Domen和Katsuya Teshima的監(jiān)督下進(jìn)行了調(diào)查。
盡管這項(xiàng)研究涉及的是甲醇水溶液，而不是水，但研究小組證實(shí)，當(dāng)與另一種驅(qū)動(dòng)析氧過(guò)程的光催化劑結(jié)合時(shí)，新開發(fā)的載鉑BaTaO2N能比早期的BaTaO2N更有效地分解水中的氫和氧分子。
Hisatomi說(shuō)，研究小組正在考慮在板式反應(yīng)器上印刷這種粉末狀光催化劑。他和他的同事已經(jīng)用另一種材料，摻鋁鈦酸鍶（SrTiO3）制造了這樣的裝置，這種材料的晶體結(jié)構(gòu)與BaTaO2N相同，但吸收不同波長(zhǎng)的光。1平方米的平板反應(yīng)堆充滿了1毫米深的水層。當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，化學(xué)反應(yīng)迅速釋放出氣泡。一項(xiàng)相關(guān)的研究工作旨在開發(fā)出能保持氫和氧氣泡分離的膜。盡管如此，盡管效率提高了100倍，但BaTaO2N還沒(méi)有為黃金時(shí)段的制氫做好準(zhǔn)備。
Hisatomi說(shuō)：“我們?nèi)匀恍枰谔岣咝史矫嬗幸粋€(gè)類似的飛躍，以使這項(xiàng)技術(shù)切實(shí)有用?！?隨著研究人員不斷改進(jìn)光催化劑，他們也將開始將兩步法應(yīng)用于其他類型的材料?！拔覀儾恢滥姆N材料最終會(huì)成為最好的，”他補(bǔ)充說(shuō)。
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