“氫農(nóng)場”體系戶外實(shí)驗(yàn)裝置

近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李燦團(tuán)隊(duì)在《德國應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表的一項(xiàng)成果，引起了業(yè)界的關(guān)注。他們提出并驗(yàn)證了一種新的太陽能分解水規(guī)模化制氫策略——“氫農(nóng)場”策略，并使太陽能光催化分解水制氫效率創(chuàng)世界紀(jì)錄。

“氫農(nóng)場”策略類似于農(nóng)場種莊稼，春天大面積播種后，利用光合作用過程把太陽能儲存在莊稼里，等秋天莊稼成熟后再把糧食集中收割起來。

“太陽能光催化來分解水制氫是被國際上認(rèn)為非常理想的生產(chǎn)綠色氫能的過程。”李燦在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，他們的研究就是把光催化劑做成納米顆粒分散到水里，經(jīng)太陽光照射水分解就可產(chǎn)生氫氣和氧氣。

不過，據(jù)記者了解，這種制氫方式目前要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)。

靈感來自“道法自然”

利用太陽能制取清潔的氫能以代替化石燃料，被認(rèn)為是未來能源革命的重要方向。

太陽能分解水制氫，目前主要有三條途徑，第一條以太陽能電池發(fā)電為主，利用電解等技術(shù)把水分解成氫氣和氧氣;第二條為光電催化分解水制氫;第三條就是光催化分解水。該途徑雖然工藝簡單，但實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的技術(shù)難度較大。

“氫農(nóng)場”策略就屬于第三條途徑。其目前需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是如何高效地利用水氧化反應(yīng)把太陽能儲存起來;二是如何抑制光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質(zhì)之間的逆反應(yīng)。

李燦告訴《中國科學(xué)報(bào)》，早在2001年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所太陽能制氫的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室便已建成，經(jīng)過前后20年的研究積累，最終取得如今的成績。而在這場前后上百人投入的馬拉松式的“競賽”中，也遇到很多難題，如光催化劑效率偏低、直接將氫氣和氧氣同時(shí)釋放存在混合爆炸的安全隱患、氫氣和氧氣的分離和成本等等。

解決這些難題的背后，李燦給出了四個(gè)字“道法自然”。

五六年前，為了找到破解之策，農(nóng)業(yè)中大面積種植莊稼的過程給了李燦團(tuán)隊(duì)靈感。他們發(fā)現(xiàn)，綠色植物光合作用的第一步就是分解水反應(yīng)，將水分解為氧氣和質(zhì)子及高能電子，氧氣釋放到大氣中，質(zhì)子參與后面的碳固定反應(yīng)，合成糖類等生物質(zhì)。整個(gè)過程既不需要密封，也不需要收集氣體，氧氣的釋放還改善了空氣質(zhì)量，很容易實(shí)現(xiàn)大面積種植。

因此，“氫農(nóng)場”策略也是先捕獲太陽能發(fā)生水氧化反應(yīng)，把氧氣釋放出去，再把儲存的太陽能收集起來，集中生產(chǎn)氫氣。其原理與種莊稼的過程類似，破解了大規(guī)模太陽能光催化制氫應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

三大創(chuàng)新展示未來前景

“李燦團(tuán)隊(duì)的工作，向同行們展示了未來太陽能分解水制氫的前景，增加了該領(lǐng)域研究者的信心。”提及該項(xiàng)成果，中國科學(xué)院外籍院士、瑞典皇家工學(xué)院分子器件講席教授孫立成如此評價(jià)。

孫立成長期從事太陽能燃料與太陽能電池科學(xué)前沿領(lǐng)域應(yīng)用基礎(chǔ)研究，組織完成了多項(xiàng)太陽能燃料與太陽能電池領(lǐng)域重大科研項(xiàng)目。在他看來，李燦團(tuán)隊(duì)在科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)、成本及可規(guī)模化展示上，都做得“非常漂亮”。

從科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)來說，李燦團(tuán)隊(duì)用的是一種叫“釩酸鉍”的黃色半導(dǎo)體光催化材料，可以吸收一定波長范圍的太陽光，把這個(gè)材料做成一個(gè)個(gè)具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的小單晶，分散到水溶液中，光一照就可以高效地把水氧化成氧氣。

“這種做法還是不多見的。”孫立成對《中國科學(xué)報(bào)》說，其可以利用單晶的不同暴露晶面把電子和空穴在空間上分開，高效地把水氧化成氧氣，還可以同時(shí)解決儲能介質(zhì)(氧化還原對)之間的逆反應(yīng)，再用電解的方式把氫氣釋放出來。這種策略的好處是，氧氣和氫氣完全分開，解決了光催化分解水體系中氧氣和氫氣混合在一起的技術(shù)難題。

從成本來講，“氫農(nóng)場”策略所用的光催化劑由一些非貴重金屬元素組成，是相對廉價(jià)的材料。而且，大面積儲存太陽能的過程不需要收集氣體，反應(yīng)器也不需要密封，反應(yīng)器的制造加工成本也低，這為未來實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)提供很大的可能性。

從可規(guī)模化展示上，孫立成認(rèn)為，工作中的“反應(yīng)池”已經(jīng)有了平方米級的“尺寸”，并且通過太陽光下的試驗(yàn)，證明“氫農(nóng)場”這一思路確實(shí)可行，未來還可以放大并進(jìn)一步優(yōu)化，有希望實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

創(chuàng)建大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用之路

“氫農(nóng)場”體系的太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率超過1.8%，是目前國際上報(bào)道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值(此前最高紀(jì)錄是1.1%)。這是否意味著該項(xiàng)技術(shù)已趨向成熟，很快就可以推廣?

美國能源部對化石資源制氫和太陽能分解水制氫成本做過一個(gè)粗略估算，若利用納米顆粒光催化劑的太陽能制氫效率達(dá)到10%、催化劑穩(wěn)定工作時(shí)間超過3000小時(shí)，太陽能制氫的成本與廉價(jià)化石資源(例如煤或天然氣)制氫的成本相當(dāng)，具有與傳統(tǒng)化石資源制氫可競爭的成本，可以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

對此，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李仁貴認(rèn)為，太陽能分解水制氫技術(shù)目前還存在效率較低、制氫成本高等問題，不考慮環(huán)境和生態(tài)成本的話，太陽能分解水制氫的成本還高于化石資源制氫，尤其是基于粉末納米顆粒體系的光催化分解水制氫。

“該技術(shù)雖然工藝簡單、易操作、投資成本低，但是由于其太陽能制氫效率還不夠高，距離規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用還有一定距離。”李仁貴坦言。

他表示，目前，“氫農(nóng)場”制氫效率超過1.8%，還有很大的提升空間。如果將光催化劑對太陽光的吸收范圍從目前釩酸鉍材料的520納米進(jìn)一步拓展至600納米以上，甚至700納米，儲能介質(zhì)的化學(xué)電位進(jìn)一步降低的話，整個(gè)體系的太陽能制氫效率達(dá)到10%還是有希望的。這項(xiàng)研究驗(yàn)證了這種可行性，也為本領(lǐng)域同行展示了努力的方向。

孫立成則表示，通過“氫農(nóng)場”的思路，氫氣、氧氣可以分離，太陽能制氫效率也可以提高。“太陽能制氫效率將來如果能超過6%的話，就有希望大規(guī)模生產(chǎn)，最理想的狀態(tài)是10%以上。基于目前的成果，大家有信心繼續(xù)努力把這個(gè)體系做得更好。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202001438

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