納米技術成就新光解水制氫 或催生光伏技術變革

　　編者按：近日，以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心科研人員，研發出了一種新的光解制氫方法。他們表示，這種基于納米材料技術的發明，如嫁接于光伏電池技術，則可實現光伏發電和光解水制氫兩個綠色能源生產方式的結合。
　　
　　光解水制氫技術
　　
　　相關資料顯示，光解水制氫技術始自1972年，由日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授報告發現TiO2單晶電極光催化分解水從而產生氫氣這一現象，從而揭示了利用太陽能直接分解水制氫的可能性，開辟了利用太陽能光解水制氫的研究道路。
　　
　　隨著電極電解水向半導體光催化分解水制氫的多相光催化的演變和TiO2以外的光催化劑的相繼發現，興起了以光催化方法分解水制氫（的研究，并在光催化劑的合成、改性等方面取得較大進展。
　　
　　近幾十年來，隨著能源需求的持續增長，尋找新能源的研究越來越受到人們的關注。氫能，它作為二次能源，具有清潔、、安全、可貯存、可運輸等諸多優點，已普遍被人們認為是一種的新世紀無污染的綠色能源，因此受到了各國的高度重視。但同時也滋生了另一個問題，如何低成本的獲得氫能，則是該領域科研人員一直想要走出的迷局。
 
　　迄今為止，人們所研究和發現的光催化劑和光催化體系仍然存在諸多問題，如光催化劑大多僅在紫外光區穩定有效，能夠在可見光區使用的光催化劑不但催化活性低，而且幾乎都存在光腐蝕現象，需使用犧牲劑進行抑制，能量轉化效率低，這些阻礙了光解水的實際應用。光解水的研究是一項艱巨的工作，雖然近期取得了一些進展，但是還有很多工作需要進一步研究，如研制具有特殊結構的新型光催化劑、新型的光催化反應體系，對提高光催化性劑性能的方法進行更加深入的研究等，這些都是今后光解水的研究重點。
　　
　　21世紀突破  期待新能源早日問世
　　
　　利用自然界豐富的太陽能制氫，有可能成為未來的潔凈能源，因此光催化分解水被認為是“科學界的圣杯”。同時，光催化分解水是一個多電子轉移的能量爬坡過程，又被喻為“科學界的哥德巴赫猜想”，其中一些關鍵科學問題還沒有很好地解決。
　　
　　此前，來自中科院大連化物所李燦院士團隊撰寫的綜述文章——《助催化劑在光催化和光電催化中的作用》，是*篇比較系統闡述光催化和光電催化體系中助催化劑作用的文章。該團隊在基于“結”與“助催化劑”構建光催化體系方面的系列研究引起同行關注。
　　 
　　40多年的研究表明，構建復合的光催化體系是實現光催化分解水的必由之路。目前報道的一些光催化劑和體系效率還是很低，主要是因為一些關鍵問題還沒有解決，如光的有效吸收、光生電子和空穴的有效分離、有效的氧化和還原表面催化反應等。為了進一步認識和解決這些問題，李燦團隊提出了基于“結”與“助催化劑”構建復合光催化體系光催化分解水制氫的構想，并取得了一系列研究成果。
　　
　　而在另一個國度，以色列的科學家已經在理論的基礎上，邁出了堅實的一步。以色列理工學院太陽能燃料集優研究中心（I-CORE）的科學家研發出了一種新的光解制氫方法，這種基于納米材料技術的發明，使低成本光解水制氫成為可能；如果嫁接光伏電池技術，則可能催生制氫光伏產業，實現光伏發電和光解水制氫兩個綠色能源生產方式的結合。
　　
　　據參與研究的科研人員介紹，“用集成串聯光伏電池實現光解水制氫*可行，光伏發電的同時制氫、儲氫，氫燃料再用于補充黑夜和陰天的發電需要。”他們已找到一種方式來捕捉光，用超薄鐵氧化物薄膜，也就是用比辦公用紙還薄5000倍的鐵銹，即三氧化二鐵來儲存光，這是實現率和低成本的關鍵。
　　
　　氧化鐵是一種常見的半導體材料，生產成本低，在水里不易氧化、耐腐蝕、耐分解，比其他半導體材料表現更穩定。但它較低的導電性是研究人員面臨的zui大挑戰。科研人員為此奮斗多年，努力找尋光吸收分離和光生載荷收集之間的折衷方案。他們的光捕獲方案打破了這個瓶頸，氧化鐵超薄薄膜能夠有效地吸收光生電荷。類似鏡面的薄膜被置于反射基板上，光線中的四分之一波長或更深的子波長被薄膜捕獲。同時向前和向后傳播的光波之間增強了吸收表面，光生電荷載體的吸收效率更好。
　　
　　而這項科研成果使光伏發電和制氫同時進行成為可能。不久的將來，人們可以設計制造出相對廉價的結合有超薄氧化鐵光電極的太陽能電池，這種太陽能電池*可以采用基于硅材料或其他材料的傳統產品，但能同時實現光伏發電和制氫。這些電池實現了太陽能儲存，讓光伏發電不再受黑夜和陰天影響，而這恰恰是傳統光伏發電*的。