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開上氫能源汽車，加氫3分鐘就能跑800公里，還是零排放，隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這一場景有望成為現(xiàn)實。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，氫能成為未來的重要能源，如何高效、低成本制氫，特別是光解水制“綠氫”是許多科學(xué)家研究的方向。

北京時間2022年10月18日4時，上海理工大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院化學(xué)系廉孜超特聘教授和京都大學(xué)化學(xué)研究所“通過等離子體能量上轉(zhuǎn)換利用紅外太陽能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的研究成果發(fā)表于綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》(Nature Sustainability)。研究提供了一種利用光解水未開發(fā)的太陽能紅外光區(qū)誘導(dǎo)材料能量轉(zhuǎn)化的新方案，在國際上填補了非貴金屬實現(xiàn)高效的等離激元能量上轉(zhuǎn)換效率這一領(lǐng)域的空白，意味著“水變氫”有了一條可實用化的新路徑。

《自然-可持續(xù)發(fā)展》Nature Sustainability論文封面圖

太陽光光譜中包含5%的紫外光、43%的可見光和52%的紅外光，以往有關(guān)光催化的研究大多限制在紫外光和可見光范圍內(nèi)，而幾乎占太陽能一半的紅外光卻被白白浪費了。是否可以開發(fā)出能夠拓展太陽光譜響應(yīng)范圍的光催化劑，從而充分利用太陽光資源呢？

帶著這樣的疑問，廉孜超教授團(tuán)隊進(jìn)行了深入研究，創(chuàng)造性地提出使用半金屬-半導(dǎo)體性質(zhì)的硫化銅（CuS）構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，形成良好的等離子體紅外到可見能量上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而大幅提升紅外光利用率，也使氫能的規(guī)?；⑵絻r化應(yīng)用成為可能。

“當(dāng)入射光子頻率恰好與金屬納米顆?；蚪饘賯鲗?dǎo)電子的整體振動頻率相匹配，可以視為光子成功‘撥通電話’，并被振蕩‘接通電話’后吸收，只有極少的光發(fā)生散射，此時光譜上出現(xiàn)一個較強的共振吸收峰，產(chǎn)生的表面等離激元電子和空穴會同時傳遞到臨近的寬禁帶半導(dǎo)體上面。”廉孜超教授團(tuán)隊，將這一過程形象地稱為“等離子體爬坡”，并介紹這意味著光催化劑中的等離激元只要攀升到能發(fā)生局域表面等離子體共振的“坡”上，就能實現(xiàn)能量的增強和轉(zhuǎn)化，將太陽能中的紅外光能轉(zhuǎn)換為可見光能，最終達(dá)到提高光解水紅外光利用率的目的。

上海理工大學(xué) 廉孜超特聘教授

在利用紅外光讓“水變氫”的過程中，光催化材料是核心，材料的活性、穩(wěn)定性和成本則是決定光催化技術(shù)能否實際應(yīng)用的關(guān)鍵?！瓣P(guān)于等離激元上轉(zhuǎn)換，目前只有極少數(shù)的課題組報道過，主要集中在金銀合金修飾的GaAs半導(dǎo)體，其能量轉(zhuǎn)換效率在0.1-1%。而廉孜超教授團(tuán)隊利用硫化銅成本更低，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.1%。”

紅外光到可見光能量上轉(zhuǎn)換機理圖

整個研究歷時5年之久，廉孜超研究團(tuán)隊輾轉(zhuǎn)國內(nèi)外，遠(yuǎn)赴豐田工業(yè)大學(xué)和日本立命館大學(xué)做瞬態(tài)吸收光譜相關(guān)測試。測試過程中，團(tuán)隊嘗試多種可能的方法，發(fā)現(xiàn)了高效率的等離子體空穴的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，對等離子體紅外到可見能量上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)建有了初步構(gòu)想。由于等離激元上轉(zhuǎn)換這一領(lǐng)域涉足者鮮少，廉孜超團(tuán)隊選擇的“拓荒之路”注定充滿艱辛。催化劑在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中扮演著重要角色，而研究團(tuán)隊把興趣稱作科研過程中最好的“催化劑”功夫不負(fù)有心人，最終研究團(tuán)隊將紅外光到可見光的等離激元能量上轉(zhuǎn)換效率推至5%以上。