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將陽光轉(zhuǎn)化為氫氣似乎是解決世界能源挑戰(zhàn)的理想方案，這個過程不直接涉及化石燃料，也不會產(chǎn)生任何溫室氣體排放。
由此產(chǎn)生的氫氣可以用來為車輛、船舶和火車的燃料電池系統(tǒng)提供動力;它可以用來給電網(wǎng)供電。它可以用來制造化學(xué)品和鋼鐵。不過，就目前而言，清潔能源的愿景主要停留在實驗室里。
最近，日本的研究人員表示，他們在利用太陽能生產(chǎn)大量氫氣方面邁出了重要一步。長野信州大學(xué)的研究小組研究了一種吸光材料，用來分解水中的氫和氧分子?，F(xiàn)在他們開發(fā)了一種兩步制氫的方法，這種方法在光催化反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的效率更高。
研究人員從氮氧化鉭鋇(BaTaO2N)開始，這是一種半導(dǎo)體材料，可以吸收650納米(紅色和橙色的可見波長)的光。這種粉末狀物質(zhì)充當(dāng)光催化劑，利用太陽能驅(qū)動反應(yīng)。他們還使用了甲醇水溶液替代水，這使得他們只關(guān)注氫成分，減少了反應(yīng)的復(fù)雜性。
Batao2n本身就很難從溶液中“析出”氫氣。因此，使用他們的新方法，研究團(tuán)隊用鉑基助催化劑“裝載”粉末顆粒，以增加化學(xué)活性。
因此，根據(jù)他們發(fā)表在《自然通訊》雜志上的論文，這種材料釋放氫氣的效率是用傳統(tǒng)方法裝載鉑的BaTaO2N的100倍。
Takashi Hisatomi表示，這一結(jié)果是研究領(lǐng)域的一個“顯著發(fā)現(xiàn)”。Hisatomi是日本長野信州的超材料研究項目的教授，近十年來一直在研究BaTaO2N?！斑@對我個人來說非常令人興奮，”他說?！斑@是一百倍的進(jìn)步?！?/span>
太陽能專家稱，更容易或更有效地制造氫氣的努力是“圣杯之旅”。當(dāng)用于燃料電池驅(qū)動的汽車或建筑時，這種無味的氣體不會產(chǎn)生排放或空氣污染，只產(chǎn)生少量熱量和水。
然而今天，幾乎所有的氫都是通過使用天然氣的工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的，這最終會向大氣中排放更多的氣體，一些設(shè)施可以使用可再生電力來分解水分子，制造“綠色”氫，但這個過程本身是能源密集型的。如果科學(xué)家可以直接從太陽能中提取氫氣，他們就可以跳過這一昂貴的步驟。
比利時的一個團(tuán)隊正在開發(fā)太陽能電池板，這種電池板可以從空氣中收集水分，然后使用化學(xué)和生物成分在表面直接分解。研究人員設(shè)想將這些電池板放置在房屋頂部，讓人們用現(xiàn)場制造的氫氣來供暖。另外，以色列和意大利的科學(xué)家正在推進(jìn)從太陽能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換中提取盡可能多氫氣的方法。這個國際組織已經(jīng)開發(fā)出了頂端有鉑球的棒狀納米顆粒，可以防止氫和氧在分子分離后重新結(jié)合。
在信州，科學(xué)研究工作人員企圖借助沉積鉑基共催化劑來提升 Batao2N光催化劑的效率。但是Hisatomi說，傳統(tǒng)的方法一開始并不有效。
例如，在浸漬還原過程中，表面充滿了含有金屬前體的溶液，然后經(jīng)受高溫，這將蒸發(fā)溶劑，留下金屬催化劑。當(dāng)Shinshu團(tuán)隊將鉑粒子應(yīng)用到Batao2N顆粒上時，它們傾向于聚集在一起，限制了材料之間的電子相互作用。另一種方法稱為光沉積，它導(dǎo)致Batao2N和共催化劑之間的弱接觸，從而削弱相互作用。
因此，研究人員結(jié)合了這兩種方法。首先，他們使用浸漬還原法只沉積了少量的共催化劑，這阻止了顆粒的聚集。然后，他們通過光電沉積法應(yīng)用了第二層;這一次，微粒子生長在第一步種植的廣泛分散的“種子”上。
盡管這項研究使用的是甲醇水溶液，而不是水，但該團(tuán)隊證實，當(dāng)與另一種驅(qū)動氧氣進(jìn)化過程的光催化劑結(jié)合時，新開發(fā)的載鉑BaTaO2N在分解水中的氫和氧分子方面比早期的BaTaO2N更有效。
Hisatomi說，研究小組正在考慮在板式反應(yīng)器中打印粉末光催化劑。他和他的同事們用另一種材料，摻鋁鈦酸鍶（SrTiO3）制造了這樣的裝置，這種材料與Batao2N具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但吸收不同波長的光。一個1平方米的平板反應(yīng)堆里裝滿了1毫米深的水層。當(dāng)暴露在陽光下時，這種化學(xué)反應(yīng)會迅速釋放出氣泡。一項相關(guān)的研究旨在開發(fā)一種能使氫氣和氧氣氣泡分離的膜。盡管Batao2n的效率提高了100倍，但是還沒有準(zhǔn)備好在黃金時期制氫。
Hisatomi說:“我們還需要在效率上實現(xiàn)類似的飛躍，才能讓這項技術(shù)發(fā)揮作用?！彪S著研究人員繼續(xù)改進(jìn)光催化劑，他們也將開始將兩步法應(yīng)用于其他類型的材料?！拔覀儾恢滥姆N材料最終會是最好的，”他補(bǔ)充說。
