劉崗表示，“若用這種材料制作1平方米的光催化板，在陽光照射下每天能產生約10升的氫氣。”
中國團隊研發出的光催化材料“秘方”，是太陽能利用領域一項突破性進展，其基礎研究成果論文北京時間4月8日在國際學術期刊《美國化學會會刊》發表。
傳統材料有致命缺陷
劉崗介紹說，150年前，法國科幻大師凡爾納曾預言：水將成為終極燃料。此后，科學家們一直努力發展能將這個預言變為現實的各種可能的技術，其中就包括“光催化分解水”這項通過陽光直接分解水獲取氫氣的技術。
目前，太陽能制氫主要有兩種方式：一是太陽能電池發電再電解水，其效率高但設備復雜且昂貴；二是太陽光直接光解水，即通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。
劉崗指出，后者這種特殊的“光之催化材料”，受到陽光照射時，它就像微型發電廠一樣開始運轉。在二氧化鈦晶體里布滿數以億計的“能量接收站”，每個接收站由鈦原子和氧原子精密排布構成，當陽光中的光子撞擊時，就會激發出攜帶能量的“電子-空穴對”，再利用其能量來分解水制氫。
不過，傳統二氧化鈦有個致命缺陷：這些被激活的電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料內部橫沖直撞，絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒內就會復合湮滅。同時，高溫制備環境容易導致氧原子“離家出走”，形成致命的“陷阱區”，讓材料“迷宮”充滿陷阱，從而更加影響和阻礙光解水。
鈧元素的三大絕技
如何破除傳統二氧化鈦材料的“迷宮陷阱”？劉崗團隊研究發現，元素周期表中鈦的“鄰居”鈧這個稀土元素有三大絕技，可作為“改造工程師”對二氧化鈦實施部分“元素替代”并進行“結構整容”。
鈧元素的三大絕技包括：鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入鈦晶格而不造成結構變形；鈧的穩定價態+3價恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡；鈧原子在表面能重構晶體原子排布，得到特定的晶面結構，從而能夠指引光生電子和空穴順利跑出“迷宮”。
中國科學院金屬研究所實驗室內，展示的使用“神奇配方”光催化材料(右側5瓶)樣品和普通二氧化鈦材料樣品。中新網記者 孫自法 攝
此次研究選擇鈧鈦“聯姻”，也被團隊笑言“遠親不如近鄰”。通過引入5%的鈧原子，研究團隊成功制備出顆粒表面由“101”和“110”兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個晶面就像精心設計的“電荷高速公路”：一個晶面專門收集電子，另一個則負責接收空穴。
研究團隊稱，尤其是這兩個晶面之間形成強度堪比太陽能電池的定向電場(約1千伏每厘米)，相當于在數百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設了電荷運輸的“立交橋”，助力高效率光解水制氫。
后續向可見光拓展
劉崗指出，太陽光主要由紫外光、可見光和紅外光三部分組成，本次研發出的鈧摻雜二氧化鈦光催化材料目前僅適用于吸收紫外光，通過紫外光分解水產生氫。
中國科學院金屬研究所實驗室內，劉崗研究員(中)和團隊科研人員交流。中新網記者 孫自法 攝
研究團隊未來努力的方向，是在持續提升對紫外光利用的基礎上，增加對可見光的利用，希望下一步所開發的材料，能很好地吸收可見光，同時電荷分離效果很好，以進一步實現可見光誘導水分解反應制氫。
從工業應用的角度，二氧化鈦作為一種工業用途廣泛的無機材料，中國產能占全球50%以上，已形成完整的產業鏈。同時，中國稀土鈧的儲量也位居世界前列。
劉崗表示，中國對于二氧化鈦及其后續光催化材料的發展和工業應用，都具有得天獨厚的產業優勢，光催化分解水效率進一步突破后，將有望實現特定場景下的產業應用，推動能源結構升級和高質量發展，以新質生產力助力“雙碳”(碳達峰碳中和)目標實現。
