倘若有一种神奇的催化剂，能够只依靠太阳光完全分解水，生成氢气和氧气，那么人类也许可以永远摆脱能源危机的阴影。而如今，休斯顿大学副教授包吉明的团队又朝着目标前进了一大步——他们发现氧化钴纳米粒子可以高效催化水在太阳光下的分解反应。这项研究成果发表在本周的《自然-纳米技术》上。
催化光解水是一项自上世纪七十年代以来被广泛关注的领域。包吉明团队的突破之处，在于光源由可见光而非传统的紫外光充当，而且无须消耗性材料和助催化剂，即可使水完全分解为氢气与氧气。光能-化学能转化效率（按氢气产量计算）从过去使用人造树叶时的0.1%提升到了5%——这一效率足以媲美当今商用太阳能电池。
包吉明团队所使用的氧化钴（II）纳米粒子的透射电子显微镜图像。图片来源：Longb Liao, et al.（2013）Nature Nanotechnology.
研究者通过球磨法及飞秒激光烧蚀法制备得到性质完全一致的氧化钴（II）纳米粒子（CoO nanoparticles），将它们悬浮在呈中性的水里，装满烧瓶，再用一束由固态激光器发射的激光（波长为532nm）或由AM 1.5G（地表标准化太阳能）太阳模拟灯发出的光自烧瓶底部向上照射。瓶中产生的混合气体被注射器采样，通过装有热导检测器（TCD）的气相色谱（GC）分离。气相色谱分析结果表明，在光的照射和氧化钴纳米粒子的催化下，水发生分解生成氢气和氧气。
图a：气相色谱的分析结果。氢气（H2）和氧气（O2）的比值非常接近预期的2:1，预示水的完全分解。此外，没有检测到明显的氮气信号，证明烧瓶气密性良好，氧气来源并非外界大气。图b：水在约15mg氧化钴纳米粒子的催化下光解产生的氢气和氧气的量。氢气与氧气的生成源于光照，并与光照功率正相关。图片来源：Longb Liao, et al.（2013）Nature Nanotechnology.
为了证实生成的氧气中不含氧化钴纳米粒子中的氧原子，实验团队又以18O标记的水为材料重复了实验，并通过质谱（MS）和残余气体分析仪（RGA）确认了氧原子来源仅为水。另外，水的pH值在反应前后保持一致，也表明水被完全分解了。
实验团队还发现，氧化钴微粉在相同条件下却不具有催化光解水的能力。根据电化学阻抗谱分析的结果，这种差异可能是由于氧化钴微粉被制备成纳米粒子后，导带与价带比粉末状态时整体上移，从而使水的析氢电位和析氧电位落在其能隙区域。藉此，氢气和氧气可以从水中分解析出。
氧化钴微粉（Micropowder，左）和氧化钴纳米粒子（Nanoparticles，右）的能带分布。图片来源：Longb Liao, et al.（2013）Nature Nanotechnology.
尽管应用前景广阔，氧化钴纳米粒子仍面临一个巨大的难题——“它的寿命太短暂了。”包吉明说。参与反应仅仅约1小时后，氧化钴纳米粒子就失去了活性。透射电镜（TEM）显示失活的氧化钴纳米粒子相互聚集，表明它们的表面可能已经被腐蚀或氧化了。研究者指出，选取合适的半导体粒子担当助催化剂或许能够排除掉这个阻碍。
包吉明及其实验团队的这项研究进展为人类寻求新一代清洁能源带来了又一曙光。随着含钴催化剂在人工光合作用领域大放异彩，世界能源结构向绿色能源调整的步伐将日益加快。
