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将阳光转化为氢似乎是解决世界能源挑战的理想方法。该过程不会直接涉及化石燃料，也不会产生任何温室气体排放。产生的氢气可以为车辆，轮船和火车中的燃料电池系统提供动力；它可以馈入电网或用于制造化学品和钢铁。不过，到目前为止，这种清洁能源愿景主要存在于实验室中。  最近，日本研究人员说，他们已经迈出了重要的一步，以利用太阳能生产大量的氢。长野信州大学的研究小组研究吸光材料，以分解水中的氢和氧分子。现在，他们已经开发出一种两步法，这种方法可以更有效地从光催化反应中产生氢。 研究人员从氧氮化钽钽（BaTaO2N）开始，这是一种半导体材料，可以吸收高达650纳米（红色的橙色末端的可见波长）的光。粉末状物质用作光催化剂，利用了驱动反应所需的太阳能。他们还使用甲醇水溶液代替水，这使他们仅关注氢组分并降低了反应的复杂性。 就其本身而言，BaTaO2N几乎无法从溶液中“释放出”氢气。因此，Shinshu团队使用他们的新方法“向”粉末颗粒中装入了铂基助催化剂，以提高化学活性。 结果，根据他们在《自然通讯》（Nature Communications）上的论文，这些材料产生氢的效率比使用传统方法装载了铂的BaTaO2N效率高出大约100倍。 该研究的合著者Takashi Hisatomi表示，该结果是该研究领域的“非凡发现”。Hisatomi是日本长野县信州大学超材料研究计划的教授，他研究BaTaO2N已有近十年的历史。“谈到我个人，这非常令人兴奋，”他谈到100倍的改进时说道。 太阳能专家称努力使氢变得更容易或更有效是“圣杯”。当用于燃料电池驱动的车辆或建筑物中时，无味气体不会产生排放或空气污染，而只是产生少量的热量和水。但是，当今几乎所有的氢气都是通过涉及天然气的工业过程生产的，最终将更多的排放物排放到大气中。少数设施可以使用可再生电力来分裂水分子来制造“绿色”氢，但该过程本身是高能耗的。如果科学家可以直接从太阳的能量中产生氢，那么他们可以绕开这一昂贵的步骤。 在比利时，鲁汶大学的团队正在开发太阳能电池板，该电池板收集空气中的水分，然后使用化学和生物成分将水直接分解到表面上。研究人员设想将这些面板放在房屋的顶部，使人们能够利用现场产生的氢气为房屋供暖。另外，以色列和意大利的科学家正在推进从太阳能到化学能转化中提取尽可能多的氢的方法。这个国际组织开发了棒状的纳米颗粒，上面贴有铂金球，可以防止氢和氧在分子分离后重新结合。 在信州，研究人员试图通过沉积铂基助催化剂来提高BaTaO2N光催化剂的效率。Hisatomi说，但是传统的方法起初并未奏效。 例如，在浸渍还原过程中，将表面填充有包含金属前体的溶液，然后进行高温处理，从而蒸发掉溶剂并留下金属催化剂。当Shinshu团队将细小的铂金颗粒施加到BaTaO2N颗粒中时，这些颗粒趋于聚集，从而限制了材料之间的电子相互作用。另一种称为光沉积的方法导致BaTaO2N与助催化剂之间的接触较弱，进而削弱了相互作用。 因此研究人员将这两种方法结合在一起。首先，他们通过浸渍还原过程仅沉积了少量的助催化剂，从而阻止了颗粒的聚集。然后他们使用光沉积法涂覆了第二层；这次，细小颗粒在第一步种植的广泛分散的“种子”上生长。郑望和应罗分别在Kazunari Domen和Katsuya Teshima的监督下进行了调查。 尽管该研究涉及的是甲醇水溶液，而不是水，但研究小组证实，与另一种驱动氧释放过程的光催化剂结合使用后，新开发的负载铂的BaTaO2N可以比早期的BaTaO2N更加有效地分解水中的氢和氧分子。 。 Hisatomi说，研究小组正在考虑在平板式反应器上印刷粉状光催化剂。他和他的同事已经使用另一种材料制造了这种设备，即铝掺杂钛酸锶（SrTiO3），其晶体结构与BaTaO2N相同，但吸收不同波长的光。1平方米的平板式反应器装有1毫米深的水层。当暴露在阳光下时，化学反应会迅速释放出气泡。一项相关的研究工作旨在开发可保持氢气和氧气气泡分离的膜。 尽管如此，尽管效率提高了100倍，BaTaO2N尚未为黄金时段的氢气生产做好充分准备。 Hisatomi说：“我们仍然需要在效率上进行类似的提升，以使这项技术切实可行。” 随着研究人员继续改进光催化剂，他们还将开始对其他类型的材料应用两步法。他补充说：“我们不知道哪种材料最终将成为最好的材料。” |
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