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150年前，科幻大師凡爾納預(yù)言，水將成為終極燃料。科學(xué)家一直努力發(fā)展能夠?qū)⑦@一預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實的各種可能的技術(shù)。其中包括通過陽光直接分解水獲取氫氣，這項被稱為“光催化分解水”的技術(shù)屬于低碳技術(shù)。

目前，太陽能制氫主要有兩種方式。一種是太陽能電池發(fā)電再電解水，其效率高但設(shè)備復(fù)雜且昂貴;另一種是太陽光直接光解水，即通過氧化鈦等半導(dǎo)體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。光解水自1972年被發(fā)現(xiàn)以來便是能源界的“超級明星”。

這種特殊的“光之催化材料”受到陽光照射時，如同微型發(fā)電廠一樣開始運轉(zhuǎn)，在二氧化鈦晶體的體相布滿數(shù)以億計的“能量接收站”。每個“接收站”由鈦原子和氧原子精密排布構(gòu)成。當(dāng)陽光中的光子撞擊時，“接收站”便激發(fā)出攜帶能量的電子-空穴對。

然而，傳統(tǒng)二氧化鈦存在致命缺陷，即這些被激活的電子和空穴像是迷失方向的賽車，在如同“迷宮”的材料內(nèi)部橫沖直撞，多數(shù)的電子和空穴在百萬分之一秒內(nèi)就會復(fù)合湮滅。同時，高溫制備環(huán)境易導(dǎo)致氧原子“離家出走”，形成帶正電的氧空位，吸引電子形成致命的“陷阱區(qū)”，使得“迷宮”充滿陷阱。

中國科學(xué)院金屬研究所劉崗團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，解決上述問題的關(guān)鍵在于“元素替代”和“結(jié)構(gòu)整容”?？蒲腥藛T選擇鈧(Sc)作為“改造工程師”。鈧有三大“絕技”：一是鈧離子半徑與鈦相近，能夠嵌入晶格而不造成結(jié)構(gòu)變形；二是鈧的穩(wěn)定價態(tài)+3價能夠中和氧空位帶來的電荷失衡；三是鈧原子在表面可以重構(gòu)晶體原子排布，并得到特定的晶面結(jié)構(gòu)，從而能夠指引光生電子和空穴跑出“迷宮”。

研究引入5%的鈧原子，制備出顆粒表面由{101}和{110}兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個晶面如同精心設(shè)計的“電荷高速公路”——一個晶面專門收集電子，另一個負(fù)責(zé)接收空穴。尤其是兩個晶面之間形成強(qiáng)度堪比太陽能電池的定向電場，這相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設(shè)電荷運輸?shù)摹傲⒔粯颉薄?/span>

改造后的半導(dǎo)體光催化材料展現(xiàn)出性能飛躍：光生電荷分離效率提升200余倍，對波長為360納米紫外光的量子利用率突破30%；在模擬太陽光下，其產(chǎn)氫效率比已報道的二氧化鈦高出15倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀(jì)錄；若將其制作成100m2的光催化板，一天光照時間產(chǎn)生的氫氣可以驅(qū)動一輛氫能汽車行駛68公里。

4月8日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》(JACS)上。

鈧摻雜氧化鈦晶體結(jié)構(gòu)和光解水反應(yīng)示意圖