將陽光轉(zhuǎn)化為氫似乎是解決世界能源挑戰(zhàn)的理想方法。該過程不會直接涉及化石燃料，也不會產(chǎn)生任何溫室氣體排放。產(chǎn)生的氫氣可以為車輛，輪船和火車中的燃料電池系統(tǒng)提供動力；它可以饋入電網(wǎng)或用于制造化學(xué)品和鋼鐵。不過，到目前為止，這種清潔能源愿景主要存在于實驗室中。

最近，日本研究人員說，他們已經(jīng)邁出了重要的一步，以利用太陽能生產(chǎn)大量的氫。長野信州大學(xué)的研究小組研究吸光材料，以分解水中的氫和氧分子。現(xiàn)在，他們已經(jīng)開發(fā)出一種兩步法，這種方法可以更有效地從光催化反應(yīng)中產(chǎn)生氫。

研究人員從氧氮化鉭鉭（BaTaO2N）開始，這是一種半導(dǎo)體材料，可以吸收高達650納米（紅色的橙色末端的可見波長）的光。粉末狀物質(zhì)用作光催化劑，利用了驅(qū)動反應(yīng)所需的太陽能。他們還使用甲醇水溶液代替水，這使他們僅關(guān)注氫組分并降低了反應(yīng)的復(fù)雜性。

就其本身而言，BaTaO2N幾乎無法從溶液中“釋放出”氫氣。因此，Shinshu團隊使用他們的新方法“向”粉末顆粒中裝入了鉑基助催化劑，以提高化學(xué)活性。

結(jié)果，根據(jù)他們在《自然通訊》（Nature Communications）上的論文，這些材料產(chǎn)生氫的效率比使用傳統(tǒng)方法裝載了鉑的BaTaO2N效率高出大約100倍。

該研究的合著者Takashi Hisatomi表示，該結(jié)果是該研究領(lǐng)域的“非凡發(fā)現(xiàn)”。Hisatomi是日本長野縣信州大學(xué)超材料研究計劃的教授，他研究BaTaO2N已有近十年的歷史?！罢劦轿覀€人，這非常令人興奮，”他談到100倍的改進時說道。

太陽能專家稱努力使氫變得更容易或更有效是“圣杯”。當(dāng)用于燃料電池驅(qū)動的車輛或建筑物中時，無味氣體不會產(chǎn)生排放或空氣污染，而只是產(chǎn)生少量的熱量和水。但是，當(dāng)今幾乎所有的氫氣都是通過涉及天然氣的工業(yè)過程生產(chǎn)的，最終將更多的排放物排放到大氣中。少數(shù)設(shè)施可以使用可再生電力來分裂水分子來制造“綠色”氫，但該過程本身是高能耗的。如果科學(xué)家可以直接從太陽的能量中產(chǎn)生氫，那么他們可以繞開這一昂貴的步驟。

在比利時，魯汶大學(xué)的團隊正在開發(fā)太陽能電池板，該電池板收集空氣中的水分，然后使用化學(xué)和生物成分將水直接分解到表面上。研究人員設(shè)想將這些面板放在房屋的頂部，使人們能夠利用現(xiàn)場產(chǎn)生的氫氣為房屋供暖。另外，以色列和意大利的科學(xué)家正在推進從太陽能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化中提取盡可能多的氫的方法。這個國際組織開發(fā)了棒狀的納米顆粒，上面貼有鉑金球，可以防止氫和氧在分子分離后重新結(jié)合。

在信州，研究人員試圖通過沉積鉑基助催化劑來提高BaTaO2N光催化劑的效率。Hisatomi說，但是傳統(tǒng)的方法起初并未奏效。

例如，在浸漬還原過程中，將表面填充有包含金屬前體的溶液，然后進行高溫處理，從而蒸發(fā)掉溶劑并留下金屬催化劑。當(dāng)Shinshu團隊將細(xì)小的鉑金顆粒施加到BaTaO2N顆粒中時，這些顆粒趨于聚集，從而限制了材料之間的電子相互作用。另一種稱為光沉積的方法導(dǎo)致BaTaO2N與助催化劑之間的接觸較弱，進而削弱了相互作用。

因此研究人員將這兩種方法結(jié)合在一起。首先，他們通過浸漬還原過程僅沉積了少量的助催化劑，從而阻止了顆粒的聚集。然后他們使用光沉積法涂覆了第二層；這次，細(xì)小顆粒在第一步種植的廣泛分散的“種子”上生長。鄭望和應(yīng)羅分別在Kazunari Domen和Katsuya Teshima的監(jiān)督下進行了調(diào)查。

盡管該研究涉及的是甲醇水溶液，而不是水，但研究小組證實，與另一種驅(qū)動氧釋放過程的光催化劑結(jié)合使用后，新開發(fā)的負(fù)載鉑的BaTaO2N可以比早期的BaTaO2N更加有效地分解水中的氫和氧分子。 。

Hisatomi說，研究小組正在考慮在平板式反應(yīng)器上印刷粉狀光催化劑。他和他的同事已經(jīng)使用另一種材料制造了這種設(shè)備，即鋁摻雜鈦酸鍶（SrTiO3），其晶體結(jié)構(gòu)與BaTaO2N相同，但吸收不同波長的光。1平方米的平板式反應(yīng)器裝有1毫米深的水層。當(dāng)暴露在陽光下時，化學(xué)反應(yīng)會迅速釋放出氣泡。一項相關(guān)的研究工作旨在開發(fā)可保持氫氣和氧氣氣泡分離的膜。

盡管如此，盡管效率提高了100倍，BaTaO2N尚未為黃金時段的氫氣生產(chǎn)做好充分準(zhǔn)備。

Hisatomi說：“我們?nèi)匀恍枰谛噬线M行類似的提升，以使這項技術(shù)切實可行?！?隨著研究人員繼續(xù)改進光催化劑，他們還將開始對其他類型的材料應(yīng)用兩步法。他補充說：“我們不知道哪種材料最終將成為最好的材料?！?/span>