本欄目由 “世界科學” 和 “賽先生”聯合出品

本篇報道圍繞2018年度上海市自然科學獎一等獎項目“太陽能光解水製氫的能帶調控及反應體(ti) 係設計”展開，該獎項由上海交通大學機械與(yu) 動力工程學院上官文峰教授領銜的團隊獲得。

氫氣是科學界和產(chan) 業(ye) 界公認的清潔能源，在氫氣燃燒釋放能量後，最終的產(chan) 物是水，既沒有汙染物產(chan) 生，也不會(hui) 有溫室氣體(ti) 二氧化碳排放。雖然地球的水體(ti) 中富含大量的氫原子，但是氫氣的獲得並不是件容易的事。

1800年，英國科學家尼科爾森和卡萊爾成功電解了水，在通電後，他們(men) 發現水中會(hui) 產(chan) 生氫氣和氧氣兩(liang) 種氣體(ti) 。多年來，人們(men) 盼望著有一種成本低廉的方法，能夠讓水中的氫氣源源不斷地分解出來，幫助解決(jue) 人類的能源需求。

法國著名小說家凡爾納在他的科幻小說《神秘島》中，將現實與(yu) 幻想結合，敘述了在美國南北戰爭(zheng) 時期幾個(ge) 勇士被困在太平洋中的一個(ge) 荒島上的感人故事。

他們(men) 在島上團結互助，敢於(yu) 想象，勇於(yu) 拚搏，堅持不懈，用盡自己的智慧與(yu) 力量與(yu) 命運抗衡，最後建立起幸福的生活。小說的故事情節中，穿插了這樣一段對話：“是的，朋友。我相信總會(hui) 有一天可以用水來做燃料，組成水的氫和氧可以單獨或合在一起被使用。這將為(wei) 熱和光提供無限的來源，所供給的光和熱是煤炭所無法達到的。所以我相信，一旦煤礦枯竭，我們(men) 將會(hui) 用水來供熱和取暖。水將是未來的煤炭。”

這一幻想表達了作者深信人類無窮的創造力和科學的巨大力量。

然而科學的進展並沒有那麽(me) 迅速。在沉寂100多年後，水變氫的夢想終於(yu) 有了希望的曙光。

1967年，日本東(dong) 京大學研究生藤島昭在本多健一教授的指導下，將單晶二氧化鈦與(yu) 鉑金電極組成光電化學反應係統。他意外發現：當光照射到二氧化鈦電極時，在沒有外部電源供給的條件下，氫氣會(hui) 源源不斷地產(chan) 生。研究結果發表在《自然》雜誌後，一時間，全世界沸騰了。

54年過去了，光催化產(chan) 氫的科研工作又取得了哪些突破？其中的原理是什麽(me) ？未來的產(chan) 業(ye) 化狀況如何。記者就此采訪了上海交通大學機械與(yu) 動力工程學院上官文峰教授。

光照產(chan) 氫 一次劃時代的重大發現

上官文峰在日本國立長崎大學獲得工學博士，他曾在東(dong) 京大學做過高級訪問學者，與(yu) 藤島昭保持著長期的學術友誼，他還翻譯過藤島昭的學術書(shu) 籍。他告訴記者，1967年藤島昭的發現對於(yu) 人類來說是開啟了一扇氫能使用的希望之門。

之前在巴黎大學留學的本多健一教授，認為(wei) 把銀放入酸性溶液中再照射紫外線產(chan) 生電動勢這一現象十分很有趣，他鼓勵自己的研究生藤島昭以此為(wei) 方向進行研究。

藤島昭持續進行了以氧化鋅、硫化鎘等半導體(ti) 物質為(wei) 中心的試驗，但這些物質的單晶體(ti) 隻要一受到光的照射，表麵就變得粗糙不平，出現光溶解現象。試驗就這樣一次次以失敗而告終。

但是在觀察二氧化鈦半導體(ti) 在光照下的變化時，卻意外發現：一旦光線照射到二氧化鈦電極時，二氧化鈦電極和鉑金電極表麵外側(ce) 居然開始咕嘟咕嘟地持續冒起了泡，並且電極表麵完好無缺；一旦停止光照，氣體(ti) 就不會(hui) 出現了（圖1）。後來測定下來，這些氣體(ti) 是氫氣和氧氣。一個(ge) 偉(wei) 大的發現就此誕生！

圖1 發現“本多-藤島效應”的實驗裝置原理圖

人類第一次發現在特定的情況下，光能居然可以轉化為(wei) 化學能，讓氫氣汩汩而出。

大自然中有一個(ge) 光能轉化為(wei) 化學能的體(ti) 係：我們(men) 周圍大量植物好比是巨型的能量轉換站，在吸收轉化二氧化碳的同時，把太陽能轉變為(wei) 化學能，這被稱為(wei) “光合作用”（圖2）。藤島昭的這一發現（也被叫作“本多-藤島效應”），意味著人類可以模擬自然界的光合作用實現人工光合成，這完全顛覆了人類之前的認知。《神秘島》中的科幻夢想居然在現實科研中實現了。

圖2 自然光合作用示意圖

1973年10月16日，全球第一次石油危機爆發，能源緊缺成為(wei) 橫亙(gen) 於(yu) 人類未來發展的巨大難題；與(yu) 此同時，美國科普作家蕾切爾·卡遜撰寫(xie) 的科普著作《寂靜的春天》正在風靡全球，能源燃燒引起的碳排放加劇，以及導致的溫室效應已經引起全球的關(guan) 注。

揭開光解水製氫的催化劑之謎

事實上，二氧化鈦在光照產(chan) 氫中扮演的是“催化劑”的角色。

人類第一次感受催化劑的力量是在1909年，德國化學家弗裏茨•哈伯（Fritz Haber）在600℃高溫、20 兆帕高壓條件下，用鋨作催化劑，以氫氣和大氣中的氮為(wei) 原料，成功得到了氨，使人類從(cong) 此擺脫了依靠天然氮肥的被動局麵，加速了世界農(nong) 業(ye) 的發展。

上官文峰告訴記者，催化劑是一種神奇的物質，催化劑本身不參與(yu) 化學反應，但是催化劑有神奇的“媒介”能力，可以讓兩(liang) 種穩定的物質走到一起，發生化學反應，自己卻沒有任何變化。

在我們(men) 的日常生活中，催化劑無處不在。

比如在萬(wan) 米高空中，外界的空氣進入機艙，但是其中有很多臭氧，不利於(yu) 我們(men) 呼吸，但是技術人員放置了一些催化劑，臭氧會(hui) 自動分解為(wei) 氧氣，這使得我們(men) 可以在飛機上保持人體(ti) 舒適度；人體(ti) 中也有很多催化劑，如果我們(men) 發燒了，也是身體(ti) 內(nei) 部的酶催化劑出現了混亂(luan) ；空氣中的甲醛也可在各種催化劑的作用下，慢慢分解……

但是在很長時間中，催化劑對於(yu) 人類來說，依然是黑箱，雖然很美妙，但是人類不知道其內(nei) 部的機理。

上官文峰介紹說，過去人類找催化劑基本靠運氣，經常要做幾千次實驗，才能找到效果較好的催化劑。今天科學家慢慢揭開了其中的神秘麵紗。

那麽(me) 光、催化劑和水解氫之間究竟存在一種什麽(me) 樣的內(nei) 在關(guan) 係呢？

上官文峰告訴記者，簡單來說，就是光子的能量進入半導體(ti) 內(nei) 激發電子，促進水的還原和氧化反應，讓水在常溫下和非電解的情況下源源不斷地產(chan) 生氫氣和氧氣。

在這一過程中，帶隙（又稱能隙）大小、光的波長、氫原子和氧原子的電化學電位之間的匹配關(guan) 係十分重要——光波長越短，能量越高，帶隙寬度不能太大，不然光子能量無法激發半導體(ti) 中的電子；另外半導體(ti) 的帶隙必須要在合適的電位上（好比一個(ge) 合適的踏板，否則無法將水還原為(wei) 氫氣）。比如三氧化二鐵比二氧化鈦的帶隙窄，但是帶隙的位置不對，所以不能在光照下還原氫氣。

科學家已經發現了一批符合這些條件的半導體(ti) 材料。為(wei) 了更好地利用可見光的能量，科學家還嚐試讓相關(guan) 半導體(ti) 材料的帶隙變窄，使得可用光的波長從(cong) 400納米到800納米，再拓寬到1000納米。科學家還將這些半導體(ti) 催化劑做成納米尺度的顆粒懸浮體(ti) ，提高產(chan) 氫效果。

一箭雙雕的“製氫”之路

今天，充滿夢幻色彩的光照產(chan) 氫模式已經誕生，在一個(ge) 大水壇中撒上一把納米級別的催化劑，讓自然光照入，再加上一個(ge) 收集裝置，氫氣就能源源不斷地自然產(chan) 生。

上官文峰的科研團隊還開創性地使用了一些產(chan) 氧犧牲劑來促進水解中氫氣的誕生。

他說在水變成氫氣和氧氣的過程中，一個(ge) 氫分子的產(chan) 生需要2個(ge) 電子參與(yu) ，但是一個(ge) 氧分子的產(chan) 生則需要4個(ge) 電子參與(yu) ，所以氧氣的形成更有難度。加入犧牲劑後可以促進氧空位的消耗，換來更多氫氣的產(chan) 生。

他們(men) 在光照產(chan) 氫的裝置中加入了含有抗生素的水，獲得了成功，不僅(jin) 使得產(chan) 氫效率提高，而且實現了抗生素的氧化反應，淨化了高汙染的水體(ti) ，提高了水質，實現了一箭雙雕的產(chan) 氫“經典之作”，道法自然，又恒定持久。

上官文峰告訴記者，目前太陽下純水產(chan) 氫效率在2%左右，加入犧牲劑的話，產(chan) 氫效率會(hui) 更高。

另外，科學家還在探索多級催化的道路，讓兩(liang) 個(ge) 催化劑分別充當產(chan) 氫和產(chan) 氧的角色，這樣就能聯手更多的低能量光子，拓寬對太陽光譜的利用（圖3）。

圖3 模擬自然光合作用雙催化劑耦合體(ti) 係

過去光解水產(chan) 氫往往要用諸如鉑金等貴金屬，成本較高。現在，人們(men) 發現了許多普通的金屬氧化物和氮（碳）化物等也具有不錯的產(chan) 氫性能。既要提高活性又要降低成本，是實現工業(ye) 應用的關(guan) 鍵。

在上官文峰的實驗室中，記者還看到了一個(ge) 很有創意的太陽能轉換演示係統。

通過一塊光伏電池接收太陽光，產(chan) 生的電驅動電解水，在兩(liang) 個(ge) 電極上分別產(chan) 生大量的氫氣和氧氣。氫氣注入燃料電池，又轉化為(wei) 電，驅動電機運轉。這是一個(ge) 從(cong) 太陽能到電能-氫能，再轉化為(wei) 電能和機械能的過程。能量實現的路徑一目了然，十分震撼。

由太陽能光伏發電和電解水串聯而成的太陽能製氫體(ti) 係，是從(cong) 光能到電能，再到氫能的過程。盡管比光解水製氫（光能→氫能）多了一個(ge) 步驟，需要兩(liang) 套設備，但是其效率和成本已經達到或接近工業(ye) 化要求了。同時，光解水是未來值得期待和需要不懈努力攻克的重要方向。

2020年9月22日，國家主席習(xi) 近平在第七十五屆聯合國大會(hui) 一般性辯論上鄭重宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zheng) 於(yu) 2030年前達到峰值，努力爭(zheng) 取在2060年前實現碳中和。”

講話發布後，中國各大企業(ye) 紛紛啟動了氫能源的發展計劃。

上官文峰告訴記者，目前，利用太陽能製氫的產(chan) 業(ye) 化正在進入加速階段，人們(men) 感受著這種變化，我國科研人員正積極為(wei) 中國氫能源的產(chan) 業(ye) 化以及實現碳達峰碳中和貢獻自己的智慧和力量。

END

作者：涵薏

來源：世界科學


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