寫稿
投稿
將陽光轉化為氫氣似乎是解決世界能源挑戰的理想方案，這個過程不直接涉及化石燃料，也不會產生任何溫室氣體排放。
由此產生的氫氣可以用來為車輛、船舶和火車的燃料電池系統提供動力;它可以用來給電網供電。它可以用來制造化學品和鋼鐵。不過，就目前而言，清潔能源的愿景主要停留在實驗室里。
最近，日本的研究人員表示，他們在利用太陽能生產大量氫氣方面邁出了重要一步。長野信州大學的研究小組研究了一種吸光材料，用來分解水中的氫和氧分子。現在他們開發了一種兩步制氫的方法，這種方法在光催化反應中產生氫氣的效率更高。
研究人員從氮氧化鉭鋇(BaTaO2N)開始，這是一種半導體材料，可以吸收650納米(紅色和橙色的可見波長)的光。這種粉末狀物質充當光催化劑，利用太陽能驅動反應。他們還使用了甲醇水溶液替代水，這使得他們只關注氫成分，減少了反應的復雜性。
Batao2n本身就很難從溶液中“析出”氫氣。因此，使用他們的新方法，研究團隊用鉑基助催化劑“裝載”粉末顆粒，以增加化學活性。
因此，根據他們發表在《自然通訊》雜志上的論文，這種材料釋放氫氣的效率是用傳統方法裝載鉑的BaTaO2N的100倍。
Takashi Hisatomi表示，這一結果是研究領域的一個“顯著發現”。Hisatomi是日本長野信州的超材料研究項目的教授，近十年來一直在研究BaTaO2N?！斑@對我個人來說非常令人興奮，”他說。“這是一百倍的進步?！?/span>
太陽能專家稱，更容易或更有效地制造氫氣的努力是“圣杯之旅”。當用于燃料電池驅動的汽車或建筑時，這種無味的氣體不會產生排放或空氣污染，只產生少量熱量和水。
然而今天，幾乎所有的氫都是通過使用天然氣的工業生產過程產生的，這最終會向大氣中排放更多的氣體，一些設施可以使用可再生電力來分解水分子，制造“綠色”氫，但這個過程本身是能源密集型的。如果科學家可以直接從太陽能中提取氫氣，他們就可以跳過這一昂貴的步驟。
比利時的一個團隊正在開發太陽能電池板，這種電池板可以從空氣中收集水分，然后使用化學和生物成分在表面直接分解。研究人員設想將這些電池板放置在房屋頂部，讓人們用現場制造的氫氣來供暖。另外，以色列和意大利的科學家正在推進從太陽能到化學能轉換中提取盡可能多氫氣的方法。這個國際組織已經開發出了頂端有鉑球的棒狀納米顆粒，可以防止氫和氧在分子分離后重新結合。
在信州，科學研究工作人員企圖借助沉積鉑基共催化劑來提升 Batao2N光催化劑的效率。但是Hisatomi說，傳統的方法一開始并不有效。
例如，在浸漬還原過程中，表面充滿了含有金屬前體的溶液，然后經受高溫，這將蒸發溶劑，留下金屬催化劑。當Shinshu團隊將鉑粒子應用到Batao2N顆粒上時，它們傾向于聚集在一起，限制了材料之間的電子相互作用。另一種方法稱為光沉積，它導致Batao2N和共催化劑之間的弱接觸，從而削弱相互作用。
因此，研究人員結合了這兩種方法。首先，他們使用浸漬還原法只沉積了少量的共催化劑，這阻止了顆粒的聚集。然后，他們通過光電沉積法應用了第二層;這一次，微粒子生長在第一步種植的廣泛分散的“種子”上。
盡管這項研究使用的是甲醇水溶液，而不是水，但該團隊證實，當與另一種驅動氧氣進化過程的光催化劑結合時，新開發的載鉑BaTaO2N在分解水中的氫和氧分子方面比早期的BaTaO2N更有效。
Hisatomi說，研究小組正在考慮在板式反應器中打印粉末光催化劑。他和他的同事們用另一種材料，摻鋁鈦酸鍶（SrTiO3）制造了這樣的裝置，這種材料與Batao2N具有相同的晶體結構，但吸收不同波長的光。一個1平方米的平板反應堆里裝滿了1毫米深的水層。當暴露在陽光下時，這種化學反應會迅速釋放出氣泡。一項相關的研究旨在開發一種能使氫氣和氧氣氣泡分離的膜。盡管Batao2n的效率提高了100倍，但是還沒有準備好在黃金時期制氫。
Hisatomi說:“我們還需要在效率上實現類似的飛躍，才能讓這項技術發揮作用?！彪S著研究人員繼續改進光催化劑，他們也將開始將兩步法應用于其他類型的材料。“我們不知道哪種材料最終會是最好的，”他補充說。
