创新制氢，新式光催化资料来了！

经过数百小时的试验，这种白色的粉末并不衰减。在云南大学资料与动力学院试验室，你能见到全国竟然有等“美事”。

在“碳达峰、碳中和”布景下，洁净的氢能成为未来动力的重要方向，高效、低本钱，特别是光解水制氢是人们朝思暮想的展开方针。2022年1月10日，国际闻名期刊《天然·通讯》宣布了云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队协作的一项重要研讨效果——以单原子铜锚定二氧化钛，成功制备新式光催化剂，分化水制氢量子功率高达56%，被审稿人称为“国际纪录”。

这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新的途径。

单原子Cu-TiO2组成示意图 打破来历：云南大学

新催化资料，立异制氢供给了新办法

氢能是一种清洁无污染的可再生动力，焚烧值很高，可到达每千克140 兆焦耳，其来历丰厚、焚烧产品无二次污染等长处，有望替代石油和天然气，因而遭到国际范围的广泛注重。若能得以大规模实践使用，将为“碳达峰、碳中和”方针的顺利完成作出本质奉献。

咱们知道，一个水分子中，有两个氢原子，一个氧原子。其间的氢原子，便是氢气的重要来历。

“现在，常见制备氢的首要办法有化石动力制氢和电解水制氢，但两种办法都需耗费传统动力。”云南大学柳清菊教授向科技日报记者介绍，化石燃料制氢，二氧化碳排扩大，每出产1千克氢气，将发生10千克左右的二氧化碳;而电解水制氢也存在能耗和本钱问题。“在环境和动力问题日益严峻的当今，开发清洁、可持续、低本钱的制氢技能，推进氢能的展开显得尤为火急和重要。”柳清菊说，选用光催化技能，使用太阳能驱动水分化制氢是一种极具展开前途的新办法。

自1972年，前人发现二氧化钛半导体具有光催化功能以来，光解水制氢一向遭到学术界及产业界的一起注重与注重。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下，光催化资料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带，构成光生“电子-空穴”对，空穴和电子迁移到资料外表，与外表吸附的水分子发生氧化复原反响，也便是电子与水发生复原反响发生氢气，空穴氧化水发生氧气。

但是，因为电子带负电，空穴带正电，使得光催化资猜中光照所发生的“电子-空穴”很简略复合，导致产氢量子功率低下，严峻阻挠了光解水制氢的展开。因而，怎么阻挠“电子-空穴”的复合，进步光催化制氢功率，成为现在国际上光催化研讨范畴的严重应战之一，也是限制光催化制氢技能实用化的瓶颈难题。

为此，国际上资料、化学、动力等范畴的大批科研人员被招引从事这种新办法和新技能的研制，其间，光催化资料是中心。而新资料的活性、安稳性和本钱是决议光催化技能能否实践使用的要害。

为了处理一个个瓶颈问题，研讨团队另辟蹊径。为光催化制氢技能插上轻盈有力的“翅膀”，也成为柳清菊团队持续十余年的方针。

立异思路，新式光催化资料规划制备打破瓶颈

金属单原子催化剂，是近年来敏捷展开起来的新式催化剂。

比较传统金属催化剂，金属单原子催化剂中的原子以单个的方式负载在载体上，在催化反响中可充沛参加反响，完成反响活性中心的最大化，使用功率可接近100%，在理论上可以一起进步催化活性并下降本钱。但是因为单原子具有极高的外表能，在组成和催化反响进程中简略聚会、安稳性差、寿命短且制备本钱高，阻挠了其实践使用。

“起光催化效果的二氧化钛，是一种钛和氧规矩摆放的晶体，咱们经过共同的组成工艺，在其间生成很多的钛空位。”柳清菊向记者解说，有了这些钛空位，就可以请铜离子来帮助“补位”。

“研讨的中心，正是经过对钛基有机结构资料MIL-125中钛空位的规划和可控组成，研制出具有大比外表积和丰厚钛空位的二氧化钛纳米资料，以此为载体锚定过渡金属铜单原子，使铜与二氧化钛构成了结实的‘铜-氧-钛’键。”柳清菊介绍，在光催化制氢反响进程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆改变，大大促进了光生“电子-空穴”的别离和传输，大幅进步了光生电子的使用率，使产氢量子功率取得打破，到达56%。这项打破取得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和资料化学终身教授唐军旺团队的验证。

柳清菊教授向记者泄漏，论文宣布进程中还有个小插曲，“投稿之后送审，其间有评定专家觉得咱们量子功率有那么高，太难以想象。然后咱们就供给原始检测数据，以及产氢的实景视频，打消了评定人的疑问。”

本钱大幅下降，大规模光催化制氢不是梦

氢能是未来有望替代石油和天然气的清洁动力，使用范畴宽广。

国际氢能委员会猜测，氢能将在氢燃料电池轿车等交通范畴的奉献占28.6%、化工原料占24.7%、工业动力占20.8%、修建14.3%、发电占11.7%。

“碳达峰、碳中和”战略，也是推进氢能展开的首要动力。跟着技能打破和规模化使用，氢能全产业链将迎来展开迸发期，特别是跟着氢燃料电池轿车的推行遍及，氢能耗费将以惊人的速度添加。估计到2030年，在政府方针支持下，我国将成为国际最大的氢能与燃料电池商场。

而光催化分化水制氢，使用的是光和水，选用的二氧化钛基光催化具有资料物理化学功能安稳、无毒、无二次污染等长处，且生物相容性好，光催化分化水反响所得到的氢气是被公认的高效、清洁、可持续的再生动力，因而光催化分化水制氢无疑是环境友好的能量转化进程。

新研制效果的二氧化钛基光催化资料，制备办法简略、本钱低，与传统办法比较优势显着。一般含贵金属的催化剂，催化活性高，但相应的本钱也极高。“新资猜中，咱们用的是‘贱金属’铜，它储量大、价格低、易取得，这是本钱下降的第一个方面。” 柳清菊介绍，此外，原有的催化资猜中单个金属原子活性很大，很简略构成团簇，使得活性下降。研制团队将铜原子结实地锚定在简略取得的底物钛空位上，不简略聚会，立异性地处理了这个问题，安稳时刻很长，在常温常湿条件下，样品放置380天之久，依然具有与新制备样品适当的产氢功能，进一步下降了产氢本钱;再者，新式光催化资料制备工艺简略，无需贵重的设备，使光催化制氢愈加“亲民”。

近年来，柳清菊团队在试验室进行了很多的根底研讨，包含资料规划、组成工艺、机理研讨、功能优化等内容，已取得安稳的高功能光解水制氢光催化资料的试验室制备工艺，正准备展开扩大工艺研制，为后续产业化奠定根底。因为传统的光催化资料本钱高、量子功率低，国内光催化产氢商场没有老练，产业链联接及相关方针的完善，还有一段路要走，但已是曙光初露。

对柳清菊团队而言， 56%的产氢量子功率也不是结尾。“咱们还在持续尽力，使它更进一步的进步，假如可以进步到70%以上，对出产使用的含义将是显而易见的。”柳清菊说，信任找准了方向，功率再进步将不是梦。跟着光解水功率进一步进步和本钱进一步下降，氢能年代将加快到来，人类也将还地球以绿水青山。