經(jīng)過(guò)數(shù)百小時(shí)的實(shí)驗(yàn)匪笨，這種白色的粉末并不衰減。在云南大學(xué)材料與能源學(xué)院實(shí)驗(yàn)室某现，你能見(jiàn)到天下竟然有等“美事”匙桦。

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，潔凈的氫能成為未來(lái)能源的重要方向阁陌，高效腊拍、低成本，特別是光解水制氫是人們夢(mèng)寐以求的發(fā)展目標(biāo)奖朴。2022年1月10日呆淑，國(guó)際著名期刊《自然·通訊》發(fā)表了云南大學(xué)柳清菊教授團(tuán)隊(duì)與英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院唐軍旺教授團(tuán)隊(duì)、華東師范大學(xué)黃榮教授團(tuán)隊(duì)合作的一項(xiàng)重要研究成果——以單原子銅錨定二氧化鈦曼刀，成功制備新型光催化劑罗卿，分解水制氫量子效率高達(dá)56%，被審稿人稱(chēng)為“世界紀(jì)錄”魂务。

這意味著“水變氫”有了一條可實(shí)用化的新的路徑曼验。

單原子Cu-TiO2合成示意圖 突破來(lái)源：云南大學(xué)

新催化材料，創(chuàng)新制氫提供了新方法

氫能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源粘姜，燃燒值很高鬓照，可達(dá)到每千克140 兆焦耳，其來(lái)源豐富孤紧、燃燒產(chǎn)物無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)颖杏，有望代替石油和天然氣，因而受到世界范圍的廣泛關(guān)注坛芽。若能得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用留储，將為“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)作出實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)咙轩。

我們知道获讳，一個(gè)水分子中，有兩個(gè)氫原子活喊，一個(gè)氧原子丐膝。其中的氫原子，便是氫氣的重要來(lái)源箫俯。

“目前焕徽，常見(jiàn)制備氫的主要方法有化石能源制氫和電解水制氫，但兩種方法都需消耗傳統(tǒng)能源怕事。”云南大學(xué)柳清菊教授向科技日?qǐng)?bào)記者介紹竹恃，化石燃料制氫，二氧化碳排放大旅测，每生產(chǎn)1千克氫氣肘勾，將產(chǎn)生10千克左右的二氧化碳;而電解水制氫也存在能耗和成本問(wèn)題。“在環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)重的當(dāng)今兆布，開(kāi)發(fā)清潔箫废、可持續(xù)础姚、低成本的制氫技術(shù)，推進(jìn)氫能的發(fā)展顯得尤為迫切和重要譬功。”柳清菊說(shuō)填恬，采用光催化技術(shù)，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水分解制氫是一種極具發(fā)展前途的新方法奋隶。

自1972年沛慢，前人發(fā)現(xiàn)二氧化鈦半導(dǎo)體具有光催化性能以來(lái)，光解水制氫一直受到學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注與重視达布。在能量大于或等于半導(dǎo)體禁帶寬度的光照射下团甲，光催化材料價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量躍遷到導(dǎo)帶，形成光生“電子-空穴”對(duì)黍聂，空穴和電子遷移到材料表面躺苦，與表面吸附的水分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，也就是電子與水發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣产还，空穴氧化水產(chǎn)生氧氣匹厘。

然而，由于電子帶負(fù)電脐区，空穴帶正電愈诚，使得光催化材料中光照所產(chǎn)生的“電子-空穴”很容易復(fù)合，導(dǎo)致產(chǎn)氫量子效率低下牛隅，嚴(yán)重阻礙了光解水制氫的發(fā)展炕柔。因此，如何阻止“電子-空穴”的復(fù)合媒佣，提高光催化制氫效率触法，成為目前國(guó)際上光催化研究領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一，也是制約光催化制氫技術(shù)實(shí)用化的瓶頸難題据伏。

為此展稼，國(guó)際上材料、化學(xué)骏庙、能源等領(lǐng)域的大批科研人員被吸引從事這種新方法和新技術(shù)的研發(fā)俩堡，其中，光催化材料是核心辣棉。而新材料的活性氏诽、穩(wěn)定性和成本是決定光催化技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

為了解決一個(gè)個(gè)瓶頸問(wèn)題挠氛，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑民议。為光催化制氫技術(shù)插上輕捷有力的“翅膀”，也成為柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)持續(xù)十余年的目標(biāo)淡榕。

創(chuàng)新思路迂腔，新型光催化材料設(shè)計(jì)制備突破瓶頸

金屬單原子催化劑，是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型催化劑允悦。

相比傳統(tǒng)金屬催化劑膝擂，金屬單原子催化劑中的原子以單個(gè)的形式負(fù)載在載體上，在催化反應(yīng)中可充分參與反應(yīng)隙弛，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)活性中心的最大化架馋，利用效率可接近100%，在理論上可以同時(shí)提高催化活性并降低成本全闷。然而由于單原子具有極高的表面能叉寂，在合成和催化反應(yīng)過(guò)程中容易團(tuán)聚、穩(wěn)定性差总珠、壽命短且制備成本高屏鳍，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用局服。

“起光催化作用的二氧化鈦钓瞭，是一種鈦和氧規(guī)則排列的晶體，我們通過(guò)獨(dú)特的合成工藝淫奔，在其中生成大量的鈦空位山涡。”柳清菊向記者解釋?zhuān)辛诉@些鈦空位，就可以請(qǐng)銅離子來(lái)幫忙“補(bǔ)位”斜擎。

“研究的核心爱饲，正是通過(guò)對(duì)鈦基有機(jī)框架材料MIL-125中鈦空位的設(shè)計(jì)和可控合成，研制出具有大比表面積和豐富鈦空位的二氧化鈦納米材料宿闯，以此為載體錨定過(guò)渡金屬銅單原子羹浪，使銅與二氧化鈦形成了牢固的‘銅-氧-鈦’鍵。”柳清菊介紹疚线，在光催化制氫反應(yīng)過(guò)程中雀司，一價(jià)陽(yáng)離子銅和二價(jià)陽(yáng)離子銅的可逆變化，大大促進(jìn)了光生“電子-空穴”的分離和傳輸背渤，大幅提高了光生電子的利用率奉念，使產(chǎn)氫量子效率獲得突破，達(dá)到56%熊骆。這項(xiàng)突破獲得了歐洲科學(xué)院院士鹿竭、倫敦大學(xué)學(xué)院光催化和材料化學(xué)終身教授唐軍旺團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證。

柳清菊教授向記者透露纳倚，論文發(fā)表過(guò)程中還有個(gè)小插曲胜溢，“投稿之后送審，其中有評(píng)審專(zhuān)家覺(jué)得我們量子效率有那么高章母，太不可思議母蛛。然后我們就提供原始檢測(cè)數(shù)據(jù)翩剪，以及產(chǎn)氫的實(shí)景視頻，打消了評(píng)審人的疑惑彩郊。”

成本大幅下降前弯，大規(guī)模光催化制氫不是夢(mèng)

氫能是未來(lái)有望代替石油和天然氣的清潔能源，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊秫逝。

國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)恕出，氫能將在氫燃料電池汽車(chē)等交通領(lǐng)域的貢獻(xiàn)占28.6%、化工原料占24.7%违帆、工業(yè)能源占20.8%浙巫、建筑14.3%、發(fā)電占11.7%刷后。

“碳達(dá)峰的畴、碳中和”戰(zhàn)略，也是推動(dòng)氫能發(fā)展的主要?jiǎng)恿菹铡ｋS著技術(shù)突破和規(guī)拿绺担化應(yīng)用，氫能全產(chǎn)業(yè)鏈將迎來(lái)發(fā)展爆發(fā)期燎拟，特別是隨著氫燃料電池汽車(chē)的推廣普及靶疟，氫能消耗將以驚人的速度增加。預(yù)計(jì)到2030年享秒，在政府政策支持下脂桂，我國(guó)將成為世界最大的氫能與燃料電池市場(chǎng)。

而光催化分解水制氫蛆古，利用的是光和水港驶，采用的二氧化鈦基光催化具有材料物理化學(xué)性能穩(wěn)定、無(wú)毒舔伴、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)滨靴，且生物相容性好，光催化分解水反應(yīng)所得到的氫氣是被公認(rèn)的高效溃柑、清潔巴疾、可持續(xù)的再生能源，因此光催化分解水制氫無(wú)疑是環(huán)境友好的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程稀境。

新研制成果的二氧化鈦基光催化材料玲躯，制備方法簡(jiǎn)單、成本低鳄乏，與傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢(shì)明顯跷车。通常含貴金屬的催化劑，催化活性高橱野，但相應(yīng)的成本也極高朽缴。“新材料中善玫，我們用的是‘賤金屬’銅，它儲(chǔ)量大不铆、價(jià)格低蝌焚、易獲得裹唆，這是成本降低的第一個(gè)方面誓斥。” 柳清菊介紹，此外许帐，原有的催化材料中單個(gè)金屬原子活性很大劳坑，很容易形成團(tuán)簇，使得活性降低成畦。研發(fā)團(tuán)隊(duì)將銅原子牢固地錨定在容易獲得的底物鈦空位上距芬，不容易團(tuán)聚，創(chuàng)新性地解決了這個(gè)問(wèn)題堆浴，穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)珍催，在常溫常濕條件下，樣品放置380天之久哭逻，仍然具有與新制備樣品相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)氫性能禾底，進(jìn)一步降低了產(chǎn)氫成本;再者，新型光催化材料制備工藝簡(jiǎn)單躬筐，無(wú)需昂貴的設(shè)備据鼓，使光催化制氫更加“親民”。

近年來(lái)帅忌，柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究弦银，包括材料設(shè)計(jì)、合成工藝此幕、機(jī)理研究宦衡、性能優(yōu)化等內(nèi)容，已獲得穩(wěn)定的高性能光解水制氫光催化材料的實(shí)驗(yàn)室制備工藝签缸，正準(zhǔn)備開(kāi)展放大工藝研發(fā)尼荆，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的光催化材料成本高仁锯、量子效率低耀找，國(guó)內(nèi)光催化產(chǎn)氫市場(chǎng)尚未成熟，產(chǎn)業(yè)鏈銜接及相關(guān)政策的完善业崖，還有一段路要走野芒，但已是曙光初露。

對(duì)柳清菊?qǐng)F(tuán)隊(duì)而言双炕， 56%的產(chǎn)氫量子效率也不是終點(diǎn)狞悲。“我們還在繼續(xù)努力撮抓，使它更進(jìn)一步的提高，如果能夠提高到70%以上摇锋，對(duì)生產(chǎn)應(yīng)用的意義將是不言而喻的丹拯。”柳清菊說(shuō)，相信找準(zhǔn)了方向荸恕，效率再提升將不是夢(mèng)乖酬。隨著光解水效率進(jìn)一步提高和成本進(jìn)一步降低，氫能時(shí)代將加速到來(lái)洪洪，人類(lèi)也將還地球以綠水青山先俐。