纳米技术成就新光解水制氢 或催生光伏技术变革

　　编者按：近日，以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心科研人员，研发出了一种新的光解制氢方法。他们表示，这种基于纳米材料技术的发明，如嫁接于光伏电池技术，则可实现光伏发电和光解水制氢两个绿色能源生产方式的结合。
　　
　　光解水制氢技术
　　
　　相关资料显示，光解水制氢技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。
　　
　　随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢（的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。
　　
　　近几十年来，随着能源需求的持续增长，寻找新能源的研究越来越受到人们的关注。氢能，它作为二次能源，具有清洁、、安全、可贮存、可运输等诸多优点，已普遍被人们认为是一种的新世纪无污染的绿色能源，因此受到了各国的高度重视。但同时也滋生了另一个问题，如何低成本的获得氢能，则是该领域科研人员一直想要走出的迷局。
 
　　迄今为止，人们所研究和发现的光催化剂和光催化体系仍然存在诸多问题，如光催化剂大多仅在紫外光区稳定有效，能够在可见光区使用的光催化剂不但催化活性低，而且几乎都存在光腐蚀现象，需使用牺牲剂进行抑制，能量转化效率低，这些阻碍了光解水的实际应用。光解水的研究是一项艰巨的工作，虽然近期取得了一些进展，但是还有很多工作需要进一步研究，如研制具有特殊结构的新型光催化剂、新型的光催化反应体系，对提高光催化性剂性能的方法进行更加深入的研究等，这些都是今后光解水的研究重点。
　　
　　21世纪突破  期待新能源早日问世
　　
　　利用自然界丰富的太阳能制氢，有可能成为未来的洁净能源，因此光催化分解水被认为是“科学界的圣杯”。同时，光催化分解水是一个多电子转移的能量爬坡过程，又被喻为“科学界的哥德巴赫猜想”，其中一些关键科学问题还没有很好地解决。
　　
　　此前，来自中科院大连化物所李灿院士团队撰写的综述文章——《助催化剂在光催化和光电催化中的作用》，是*篇比较系统阐述光催化和光电催化体系中助催化剂作用的文章。该团队在基于“结”与“助催化剂”构建光催化体系方面的系列研究引起同行关注。
　　 
　　40多年的研究表明，构建复合的光催化体系是实现光催化分解水的必由之路。目前报道的一些光催化剂和体系效率还是很低，主要是因为一些关键问题还没有解决，如光的有效吸收、光生电子和空穴的有效分离、有效的氧化和还原表面催化反应等。为了进一步认识和解决这些问题，李灿团队提出了基于“结”与“助催化剂”构建复合光催化体系光催化分解水制氢的构想，并取得了一系列研究成果。
　　
　　而在另一个国度，以色列的科学家已经在理论的基础上，迈出了坚实的一步。以色列理工学院太阳能燃料集优研究中心（I-CORE）的科学家研发出了一种新的光解制氢方法，这种基于纳米材料技术的发明，使低成本光解水制氢成为可能；如果嫁接光伏电池技术，则可能催生制氢光伏产业，实现光伏发电和光解水制氢两个绿色能源生产方式的结合。
　　
　　据参与研究的科研人员介绍，“用集成串联光伏电池实现光解水制氢*可行，光伏发电的同时制氢、储氢，氢燃料再用于补充黑夜和阴天的发电需要。”他们已找到一种方式来捕捉光，用超薄铁氧化物薄膜，也就是用比办公用纸还薄5000倍的铁锈，即三氧化二铁来储存光，这是实现率和低成本的关键。
　　
　　氧化铁是一种常见的半导体材料，生产成本低，在水里不易氧化、耐腐蚀、耐分解，比其他半导体材料表现更稳定。但它较低的导电性是研究人员面临的zui大挑战。科研人员为此奋斗多年，努力找寻光吸收分离和光生载荷收集之间的折衷方案。他们的光捕获方案打破了这个瓶颈，氧化铁超薄薄膜能够有效地吸收光生电荷。类似镜面的薄膜被置于反射基板上，光线中的四分之一波长或更深的子波长被薄膜捕获。同时向前和向后传播的光波之间增强了吸收表面，光生电荷载体的吸收效率更好。
　　
　　而这项科研成果使光伏发电和制氢同时进行成为可能。不久的将来，人们可以设计制造出相对廉价的结合有超薄氧化铁光电极的太阳能电池，这种太阳能电池*可以采用基于硅材料或其他材料的传统产品，但能同时实现光伏发电和制氢。这些电池实现了太阳能储存，让光伏发电不再受黑夜和阴天影响，而这恰恰是传统光伏发电*的。