最强光催化剂“出手”“水变氢”效率刷新世界纪录

云南大学的重大突破……

最强光触媒“射”和“水制氢”效率破世界纪录...

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2022-01-19 10:32 光明网公众号...

云南大学刘庆举教授团队与伦敦大学学院唐俊旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作，成功制备了单原子铜锚定二氧化钛的新型光催化剂。水分解制氢的量子效率高达56%。这意味着“水制氢”有了一条可行的新路径。

在阳光或LED紫外线的照射下，在玻璃烧杯中加入少许白色粉末，无需加热或其他能源，烧杯中的水即可连续产生氢气，经过数百小时的实验，这种白色粉末的量没有腐烂。在云南大学材料与能源学院的实验室里，就可以看到这样的“奇观”。

在碳达到峰值和碳中和的背景下，清洁氢已成为未来的重要能源。高效低成本制氢，特别是水光解制氢，是科学家研究的方向。 1月10日，国际知名期刊《自然通讯》发表云南大学刘庆举教授团队、英国伦敦大学学院唐俊旺教授团队、华东师范大学黄蓉教授团队合作的重要研究成果。 - 单原子铜锚。测定二氧化钛并成功制备新型光催化剂。水分解制氢的量子效率高达56%，被评论家称为“世界纪录”。这意味着“水制氢”有了一条可行的新路径。

提高催化效率可促进光解水制氢的实际应用

氢能是一种清洁无污染的可再生能源，燃烧值高达每公斤140兆焦耳。具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点。预计将取代石油和天然气。受到了全世界的关注。如果能够大规模应用，将有助于“双碳”目标的顺利实现。

“目前制氢方式主要有化石燃料制氢和电解水，但这两种方式都需要消耗传统能源。”刘庆举向科技日报记者介绍，化石燃料制氢有大量二氧化碳排放。每生产一公斤氢气，将产生约10公斤二氧化碳；而电解水制氢也存在能耗和成本问题。 “在环境和能源问题日益严峻的今天，发展清洁、可持续、低成本的制氢技术，推动氢能发展显得尤为紧迫和重要。”刘庆举表示，利用光催化技术，利用太阳能驱动水分解制氢是一种很有前景的新方法。

自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来，光分解水制氢一直受到学术界和工业界的关注和关注。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光的照射下，光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量并跃迁到导带，形成“电子空穴”对，空穴和电子迁移到材料表面。表面吸附的水分子发生氧化还原反应，即电子与水的还原反应产生氢气，空穴氧化水产生氧气。

但是，由于电子带负电，空穴带正电，光催化材料中光产生的“电子-空穴”很容易复合，导致制氢量子效率低，严重阻碍了光催化材料的生产。通过光分解水产生氢气。的发展。因此，如何防止“电子-空穴”复合，提高光催化制氢效率已成为国际光催化研究领域面临的主要挑战之一，也是制约光催化实际应用的瓶颈问题。光催化制氢技术。

其中，光催化材料是核心。光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。

铜离子新型光催化材料的设计与制备“填补”瓶颈

金属单原子催化剂是近年来发展较快的一种新型催化剂。与传统金属催化剂相比，金属单原子催化剂中的原子以单一形式负载在载体上，可以在催化反应中充分参与反应，最大化反应活性中心，利用效率可接近 100%。同时提高了催化活性，降低了成本。但由于单原子表面能极高，在合成和催化反应过程中易团聚，稳定性差，寿命短，制备成本高，阻碍了其实际应用。

“这次的光催化二氧化钛是钛和氧有规律排列的晶体。我们通过独特的合成工艺在其中产生了大量的钛空位。”刘庆举向记者解释，有了这些钛空位，可以请铜离子帮“补”。

“通过钛基有机骨架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成，我们开发了一种具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料，用作载体锚定过渡金属铜单层。原子，使铜和二氧化钛形成牢固的‘铜-氧-钛’键。”刘庆举介绍，在光催化制氢过程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化极大地促进了光生作用的“分离”。电子和空穴的传输大大提高了光生电子的利用率，并在制氢量子效率方面取得了突破，达到56%。这一突破得到了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化与材料化学终身教授唐俊旺团队的验证。

成本和工艺更“亲民”，光解水制氢行业开始大放异彩

新开发的二氧化钛基光催化材料具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点，且生物相容性好、制备方法简单、成本低廉，与传统方法相比具有明显优势。通常，含有贵金属的催化剂具有较高的催化活性，但相应的成本也极高。 “在新材料中，我们使用‘贱金属’铜，储量大、价格低、易得，这是降低成本的第一方面。”刘庆举介绍，此外，原催化材料中单个金属原子的活性很大，很容易形成簇二氧化钛光催化剂，降低了催化活性。研发团队将铜原子牢牢锚定在不易结块的钛空位上，创新性地解决了这一问题。样品制氢性能相当，进一步降低了制氢成本；此外，新型光催化材料的制备工艺简单，不需要昂贵的设备，使光催化制氢更加“人性化”。

近年来，刘庆举团队在实验室进行了大量基础研究，包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等，并获得了稳定的高性能光催化材料实验室制备光催化水分解。工艺，并准备开展放大工艺的研发，为后续产业化奠定基础。虽然传统光催化材料成本高、量子效率低，国内光催化制氢市场尚不成熟，但随着产业链的整合和相关政策的完善二氧化钛光催化剂，光催化制氢的产业化已初露端倪。

对于刘庆举的团队来说，56%的制氢量子效率并不是终点。 “我们还在努力进一步提高效率，如果能提高到70%以上，对生产和应用的意义不言而喻。”刘庆举表示，方向一旦确定，提高效率就不是梦。随着光解水效率的进一步提高和成本的进一步降低，氢能时代将加速到来，人类也将地球还给绿水青山。 （记者赵汉斌）