4月7日，在中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心實(shí)驗室，科研人員在檢測改造后的半導體光催化材料二氧化鈦樣品。記者從中國科學(xué)院金屬研究所獲悉，我國科研人員利用稀土元素鈧對光催化分解水的催化材料進(jìn)行改造，產(chǎn)氫效率提高15倍，創(chuàng )造了該材料體系的新紀錄。相關(guān)論文4月8日在學(xué)術(shù)期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì )雜志》上發(fā)表。新華社記者 潘昱龍 攝

新華社沈陽(yáng)4月8日電（記者王瑩、喻菲）150年前，科幻大師儒勒·凡爾納曾預言：水將成為未來(lái)的終極燃料。如今，科學(xué)家們正努力將這個(gè)幻想變?yōu)楝F實(shí)。

中國科學(xué)院金屬研究所所長(cháng)、研究團隊負責人劉崗表示，中國科研團隊近期在“光催化分解水制氫”領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展：通過(guò)對半導體光催化材料二氧化鈦進(jìn)行“結構整容”和“元素替代”，顯著(zhù)提升了通過(guò)陽(yáng)光直接分解水獲取氫氣的效率。相關(guān)成果于4月8日發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì )雜志》上。

目前太陽(yáng)能制氫主要有兩種方式：一是通過(guò)太陽(yáng)能電池發(fā)電再電解水，其效率高但設備復雜且昂貴；二是太陽(yáng)光直接光解水：通過(guò)二氧化鈦等半導體材料在陽(yáng)光下“一鍵分解”水分子。劉崗團隊主要聚焦第二種技術(shù)路線(xiàn)。

據介紹，用傳統二氧化鈦分解水有嚴重障礙：當光線(xiàn)照射到二氧化鈦時(shí)，其內部會(huì )產(chǎn)生帶電粒子（電子和空穴），這些帶電粒子就是分解水的“工具”。然而，這些被激活的電子和空穴并不穩定?！半娮雍涂昭ň拖衩允Х较虻馁愜?chē)，在如同迷宮的材料內部橫沖直撞，絕大多數的電子和空穴在百萬(wàn)分之一秒內就會(huì )復合湮滅。此外，高溫制備環(huán)境容易導致氧原子‘離家出走’，形成氧空位并捕獲電子，這些都大大降低了光催化反應的效率?！眲徴f(shuō)。

研究團隊創(chuàng )造性地引入鈦在元素周期表中的鄰居——鈧（Sc）元素對二氧化鈦進(jìn)行改造。經(jīng)驗證，鈧元素具備三大優(yōu)勢：一是鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入其晶格而不造成結構變形；二是鈧的穩定價(jià)態(tài)恰好能中和氧空位帶來(lái)的電荷失衡；三是鈧離子能重構晶體表面，產(chǎn)生特定的晶面結構，就像架起“電荷高速公路和立交橋”，讓電子和空穴順利跑出迷宮。

通過(guò)精密調控，團隊成功研制出性能顯著(zhù)提升的二氧化鈦材料，其紫外線(xiàn)利用率突破30%，模擬太陽(yáng)光下產(chǎn)氫效率較同類(lèi)材料提升15倍，創(chuàng )造了該材料體系的新紀錄。劉崗表示：“若用這種材料制作1平方米的光催化板，在陽(yáng)光照射下每天能產(chǎn)生約10升的氫氣?！?/p>

科研人員介紹，二氧化鈦作為一種工業(yè)用途廣泛的無(wú)機材料，中國產(chǎn)能占全球50%以上，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，而稀土鈧的儲量中國也位居世界前列，對于后續光催化材料的發(fā)展及工業(yè)應用具有得天獨厚的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。光催化分解水效率進(jìn)一步突破后將有望實(shí)現產(chǎn)業(yè)應用，推動(dòng)能源結構升級。