我研究員實現太陽能分解水制氫氣和氧氣

2020-12-04 人民網

人民網北京8月20日電（實習生 吳姣）近日，由中科院李燦院士和「百人計劃」學者陳鈞研究員負責的人工光合研究項目取得重要進展：實現了太陽能分解水制氫氣和氧氣。該研究成果將發表在《自然-通訊》上，成為國際上首例研製成功的研究報導。

樹葉進行的光合作用是利用太陽能的「高手」，人類賴以生存和發展所需的氧氣、食物和能源都來自於自然界的光合作用。人們期望從光合作用的機制中得到啟發，構建出高效的人工光合系統生產潔淨的太陽能燃料——氫氣。

研究過程中，李燦院士團隊提出了複合人工光合體系的理念，試圖集成自然和人工光合體系的優勢，建立自然光合和人工光合的複合體系，以期實現太陽能到化學能的高效轉化，並揭示自然光合體系的奧秘。圍繞這一理念已先後構建了雜化體系實現了高效產氫、氫轉移及CO2加氫等還原反應。

研究人員表示，目前的研究進展是結合光合酶PSII和人工光催化劑的優勢，構建植物PSII酶和半導體光催化劑的自組裝成光合體系。在可見光照射下，實現以化學計量比分解水生產氫氣和氧氣（即：2H2OO2+ 2H2）。並且將裝有催化劑的燒瓶置於戶外陽光下，分解水放出氫氣。

研究還發現PSII的膜片段可以通過自組裝的方式結合在無機催化劑表面，PSII氧化水產生的電子通過界面處傳遞離子對將電子轉移到半導體催化劑表面參與質子還原產氫反應。

該研究為進一步構建和發展自然-人工雜化的太陽能高效光合體系提供了原初的思路。

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    理論上這樣的催化劑是不存在的，除非加入的不是催化劑，而是和水發生化學反應的物質，比如鈉和水反應可以生成氫氣，鋁和水在加熱的條件下也可以產生氫氣，這時候將消耗的是加入的反應物，其成本並不比燒汽油低。我們知道，水通電可以分解為氫氣和氧氣：2H2O——（通電）2H2↑+O2↑說明該反應當中，生成物儲存的化學能是高於反應物的，根據能量守恆原理，不可能存在一種催化劑，能直接把水分解為氫氣和氧氣，而且催化劑本身的量還不改變，所以什麼「
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    這個提問讓我想起一個人一個在前幾天剛剛宣布破產的人，這個人就是以「水氫發動機」而出名的青年汽車有限公司的董事長龐青年。實際上，青年汽車所謂的水氫發動機，其核心技術是一個特殊的轉換裝置，這種車在車頂有一個大水箱，水通過特殊轉換裝置的作用被變成了氫氣和氧氣，經過過濾之後再輸入氫燃料反應堆產生電能，從而推動汽車前進。
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  • 具有獲取太陽能,把水分解成氫氣和氧氣潛在特性的新材料
    如上圖所示，一種新型的、無鉛的雙鈣鈦礦作為太陽能分解水的潛在光催化劑 　　眾所周知，太陽能是十分清潔豐富的能源來源。但是當太陽落山時，你必須把能量儲存在電池中或者通過一種叫做光催化的過程實現太陽能燃料製造。在光催化分解水的過程中，陽光將水分解為氫和氧，然後氫和氧可以在燃料電池中重新組合以釋放能量。 　　研究人員最近發現的一種新的滷化物雙鈣鈦礦材料，可能恰好具有分解水的特性，這一研究最近發表於《應用物理學快報》雜誌上。