張濤

清潔無污染、資源儲量豐富……作為一種十分理想的可再生新能源，氫氣密度最小，在自然界普遍存在，發(fā)熱值高，燃燒性能好，本身無毒，燃燒后的產(chǎn)物為水，不會產(chǎn)生污染物質(zhì)，燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，可以反復循環(huán)使用。世界各國對開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財力、物力，并且已取得了多方面的進展。

早在第二次世界大戰(zhàn)期間，液氫即用作A-2火箭發(fā)動機的液體推進劑。現(xiàn)在液氫已被廣泛用作火箭和航天動力的燃料。氫氣實在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量制作氫氣的方法。目前，中國科學技術(shù)大學熊宇杰教授課題組的一項研究首次揭示了硅納米線表面“光解水制氫”的機制，為其制氫性能的提高提供了新的途徑。該工作以《硅納米線光解水制氫之謎》為題，發(fā)表于國際重要化學期刊《德國應用化學》上，并入選為該期刊的熱點論文。

模擬光合作用制氫

2008年8月6日，美國麻省理工大學的科學家在實驗室內(nèi)首次再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產(chǎn)生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實驗的意義在于光合作用產(chǎn)生的能量能夠被人類利用，這種技術(shù)將引發(fā)一場太陽能使用的大革命，以補償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。

光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結(jié)果，整個過程一開始是將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧，自由的質(zhì)子和電子。在光合作用中產(chǎn)生了兩個化學反應，葉綠素分子失去兩個電子，水分子發(fā)生分解。

盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當這一媒介的是葉綠體。眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個過程毫無意義。為了提高這一性能，化學家們提供了能促使反應在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當這種媒介，當然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應要進行還需要特定的溫度條件和氣壓。

產(chǎn)氫新途徑

現(xiàn)在，科學家已經(jīng)找到了加速水電解的另一個好方法。在光解水制氫過程中，半導體催化劑扮演著非常重要的作用。半導體材料在接受到太陽光以后將產(chǎn)生攜帶能量的激發(fā)態(tài)正負電荷，使得水通過還原和氧化反應生成氫氣和氧氣?！肮琛笔堑厍蛏蟽α孔罡咔以诠I(yè)上應用最為廣泛的半導體材料，早已有報道預言可用于光解水制氫技術(shù)。

中國科學技術(shù)大學熊宇杰團隊巧妙地利用納米制造技術(shù)，從而發(fā)現(xiàn)硅材料的激發(fā)態(tài)電荷平均壽命及光催化產(chǎn)氫效率與其表面化學鍵緊密相關(guān)。另一方面，研究團隊發(fā)現(xiàn)該過程產(chǎn)生的氫氣和氧氣的比例遠高于常規(guī)思維中的比例，并通過中國科學技術(shù)大學江俊教授課題組的理論模擬，揭示該過程與傳統(tǒng)的光催化產(chǎn)氫機制有所不同?；谠撓盗邪l(fā)現(xiàn)，研究團隊首次揭開了硅材料“光解水制氫”機制的“神秘面紗”。

在理解作用機制之后，研究人員開發(fā)出了一類基于常規(guī)半導體工業(yè)技術(shù)的表面化學處理方法，為調(diào)控位于硅材料表面的化學鍵狀態(tài)提供了簡捷途徑，得以理性地調(diào)變其光催化制氫性能。該研究提出了新的表面工程思路，為開發(fā)高效、自然界豐富的光催化劑鋪筑有效道路，并將拓展人們對化學轉(zhuǎn)化中電荷運動“微觀引擎”的控制能力，對高效催化劑的理性設(shè)計具有重要推動作用。

實驗實內(nèi)模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產(chǎn)成為可能，并使太陽能利用步入新的時代。實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫的那一天已不再遙遠！氫氣的獲得也將為燃料電池等帶來更廣泛的應用。