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    我国科学家提出太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略

    日期 2020-03-27   来源:化学科学部   作者:高飞雪 曹佳  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21633010、21673230)等的资助下,中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、李仁贵研究员等人率先提出并验证了一种全新的“氢农场”策略,该策略基于粉末纳米颗粒光催化剂太阳能分解水制氢,太阳能光催化分解水制氢的效率刷新国际纪录。研究成果以“基于纳米颗粒光催化剂规模化制氢的一种氢农场策略(A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts)”为题,发表在2020年3月17日出版的《德国应用化学》(Angewandte Chemie)上,文章链接:http://doi.og/10.1002/anie.202001438。

      太阳能光催化分解水制氢可将太阳能转化并储存为化学能。研究团队受自然光合作用原理启发,借鉴农场大规模种植庄稼的做法,率先提出并验证了基于粉末纳米粒子光催化剂的太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”(Hydrogen Farm Project, HFP)策略。该策略借鉴自然光合作用Z-机制将光系统II和光系统I在空间上分离以及光反应和暗反应在空间上分离的原理,将分解水反应中的水氧化反应与质子还原反应在空间上分离,避免了氢气和氧气的逆反应、规避了产物氢气和氧气分离等问题,水氧化反应器开放,从原理上解决了大规模应用的技术瓶颈。而实现该策略需要解决两个关键问题,一是如何实现高效水氧化光催化过程,二是如何抑制纳米光催化剂表面生成的氧化态和还原态储能介质之间的反应(即逆反应)。研究团队基于晶面间光生电荷分离原理,通过精确调控钒酸铋光催化剂氧化和还原反应晶面的暴露比例,使光催化水氧化反应性能得到优化。在Fe3+/Fe2+离子对作为储能介质的条件下,可见光下光催化水氧化量子效率达到60%以上,“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%,这也是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值。同时,利用钒酸铋光催化剂不同暴露晶面之间的电荷分离特性,使Fe3+/Fe2+离子对之间的逆反应得到抑制。之后,利用钒酸铋光催化剂进行了户外太阳光照射条件下的试验,验证了“氢农场”策略的可行性。该成果是基础研究转化为实际应用的一个鲜明示例。

    图. 太阳能规模化分解水制氢的“氢农场”策略示意




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