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如果你看到有人把一些白色粉末扔進水里，不用電，也不用加熱或消耗其他能源，就憑太陽光或LED光源照射，水就能源源不斷分解成氫氣和氧氣。你信嗎？更令人驚奇的是，即使經(jīng)過幾百個小時的實驗，這種白色粉末的量并沒有減少，只要有水和光照，氫氣就能持續(xù)不斷產(chǎn)生。

其實，光照分解水制取氫氣，并不是什么新鮮事。早在1972年，日本東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授就首次發(fā)現(xiàn)，用二氧化鈦作催化劑，太陽光照下，水會分解產(chǎn)生氫氣這一現(xiàn)象。在這種現(xiàn)象之中，作為催化劑的半導體（半導體的金屬氧化物，二氧化鈦是常見的催化劑）起到非常關(guān)鍵的作用。

光解水的原理為：光輻射在半導體上，當輻射的能量大于或相當于半導體的禁帶寬度時，半導體內(nèi)電子受激發(fā)從價帶躍遷到導帶，而空穴則留在價帶，使電子和空穴發(fā)生分離，然后分別在半導體的不同位置將水還原成氫氣或者將水氧化成氧氣。

其基本過程如下：

①光催化劑材料吸收一定能量的光子以后，產(chǎn)生電子和空穴對；

②電子空穴對分離，向光催化劑表面移動；

③遷移到半導體表面的電子與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；

④遷移到半導體表面的空穴與水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣；

⑤部分電子和空穴復合，轉(zhuǎn)化成對產(chǎn)氫無意義的熱能或熒光。

但是從1972年至今，50年過去了，光分解水一直只是停留在實驗室之中，遠遠還沒有達到工業(yè)生產(chǎn)的地步，主要是因為還有三大難題沒有解決：

制氫效率低下，遠遠沒有達到10%的臨界線；

催化劑容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，很快失去活性，這使得生產(chǎn)催化劑的成本非常高昂，基本沒有實用意義；

只有在紫外光照射下才會產(chǎn)生氫氣。

效率低下一個主要原因是，由于電子帶負電，空穴帶正電，異性相吸，這使得“電子—空穴”很容易復合，導致產(chǎn)氫量子效率低下，嚴重阻礙了光解水制氫的發(fā)展。因此，如何阻止“電子—空穴”的復合，提高光催化制氫效率，已成為目前國際上光催化研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一，也是制約光催化制氫技術(shù)實用化的瓶頸難題。

柳清菊團隊通過大量研究發(fā)現(xiàn)，選用金屬銅（Cu）改性二氧化鈦（TiO2），采用特別的方法使銅以單原子形式牢固錨定于具有大比表面的TiO2納米顆粒表面，單個原子作為化學反應(yīng)的活性位點，使光催化活性達到最大化，產(chǎn)氫量子效率一下子就大幅提高到56%，在國際上首先實現(xiàn)了量子效率的突破。

（量子效率，是指光敏器件，如底片、感光耦合元件等，將其受光表面接收到的光子轉(zhuǎn)換為電子-空穴對的百分比，底片的量子效率通常低于10%。）

銅原子改良二氧化鈦催化制氫機理圖。Cu+/Cu2+的可逆變化大大促進了光生載流子的分離和傳輸，大幅提高了光生電子的利用率，使產(chǎn)氫的表觀量子效率達到56%

純TiO2以及不同金屬單原子負載TiO2的產(chǎn)氫率，圖中數(shù)據(jù)顯示，銅的產(chǎn)氫率最高。

不同銅原子含量下5小時的產(chǎn)氫量，從圖表中可以看出，當銅原子含量是1.5%時產(chǎn)氫量最高。

柳清菊團隊的研究還發(fā)現(xiàn)，改良后的二氧化鈦催化劑活性穩(wěn)定，具有超長的光催化穩(wěn)定性，歷經(jīng)幾百個小時的催化分解反應(yīng)，催化劑的量幾乎沒有衰減。而常規(guī)條件下，即使經(jīng)歷長時間的存放，依然能保持和新制備樣品的同樣產(chǎn)氫性能。這對于降低制氫成本，簡化生產(chǎn)工藝，免除昂貴的設(shè)備等有著重要的意義。

不同存放時長的改良后TiO2產(chǎn)氫的循環(huán)穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。最后一根曲線是顯示存放380天后的性能。

那么，問題來了，柳清菊團隊的重大發(fā)現(xiàn)，會讓光分解制氫走向大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用嗎？答案是否定的，這個發(fā)現(xiàn)還沒有克服第3個難題：光催化劑只有在紫外線照射之下才會實現(xiàn)“水變氫”。

迄今為止，現(xiàn)有光解水催化劑通常在紫外區(qū)才有活性，在波長400nm以上的可見光范圍內(nèi)，它的轉(zhuǎn)化效率又迅速下降到10%以下。由于地球上空存在臭氧層，太陽紫外線的大部分都被擋在了外太空，到達地球表面的只有大約4%。太陽光的能量主要集中于可見和紅外光區(qū)。其中可見光占比約為43%，紅外光占比為53%。因此，如果能研發(fā)出可見光甚至是紅外光響應(yīng)的催化劑，我們的好日子才會到來。