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歐洲一家氫氣生產(chǎn)企業(yè)2月1日發(fā)布消息說，該公司位于德國下薩克森州港口城市布拉克的綠氫工廠正式開工建設。這是德國北部地區(qū)首座商用綠氫工廠。該工廠建成后每年可生產(chǎn)1150噸綠氫。

綠氫是指通過太陽能、風能等可再生能源制造的氫氣，被視為最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗弧５厍蛏系娘L能、水能、生物質(zhì)能等都來自太陽能，若能利用不到0.02%的太陽能，便可滿足人類全年的能源需求。

而太陽能光催化分解水制氫因簡單、經(jīng)濟、可規(guī)模化、集光能轉(zhuǎn)換與能量存儲于一體的特點，被認為是太陽能高效利用的理想途徑之一，也是實現(xiàn)“雙碳”目標的有效途徑。

光能可轉(zhuǎn)化為氫能

自20世紀70年代日本科學家在二氧化鈦電極上發(fā)現(xiàn)了光照促進水分解現(xiàn)象以來，依托半導體催化劑的光催化分解水研究，引起世界各國科學家越來越多的關注。水分解產(chǎn)生氫氣和氧氣在熱力學上是一個吉布斯自由能變化大于零（237千焦/摩爾）的非自發(fā)反應。

在光的作用下，該反應可在室溫下進行，因此太陽能光催化分解水制氫是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能的能量儲存過程。

在光催化分解水反應中，外部能量以太陽光輻射的形式注入到反應體系中，作為能量來源驅(qū)動一系列能量傳遞的化學反應，并最終以化學能的形式儲存在氫分子的化學鍵中。

首次觀測到納米顆粒光生電荷轉(zhuǎn)移過程

光催化研究是涉及化學、物理、材料、生物、能源與環(huán)境等多學科交叉的前沿新興領域。根據(jù)光催化體系的基本過程，光催化分解水反應中太陽能利用效率由半導體光催化劑的光吸收效率、光生電荷分離與轉(zhuǎn)移效率和表面催化反應效率的乘積共同決定。3個效率中，光吸收效率相對獨立，可以通過能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控縮小半導體的禁帶寬度來提高吸光效率。而電荷分離與轉(zhuǎn)移效率和表面催化反應效率相互關聯(lián)、相互制約，特別是光生電荷分離與轉(zhuǎn)移過程，是太陽能光催化分解水研究中最重要、最核心的科學問題。

經(jīng)過20多年潛心研究，我們的研究團隊先后在國際上提出了異相結(jié)、雙功能助催化劑、晶面間光生電荷分離等新概念，顯著促進了光生電荷的快速分離與遷移。這些策略在太陽能光催化分解水研究中已被廣泛應用。此外，我們的研究團隊最近綜合集成多種可在時空尺度銜接的技術(shù)，首次在時空全域觀測到光生電荷在納米顆粒中分離和轉(zhuǎn)移演化的全過程，為高效太陽能轉(zhuǎn)化體系構(gòu)筑提供了科學基礎。

氫農(nóng)場策略可規(guī)模化分解水制氫

光催化分解水制氫因其工藝簡單、易操作，以及理論投資成本低等優(yōu)點，被認為是未來實現(xiàn)規(guī)模化太陽能制氫有前景的途徑之一。但是，目前的光催化分解水體系中存在著氫氣與氧氣分離成本高、分離不徹底等問題，仍然存在著很大的安全隱患，且太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率仍不足1.0%。受自然光合作用原理的啟發(fā)，我們的研究團隊提出了基于粉末光催化劑的規(guī)模化太陽能分解水制氫的“氫農(nóng)場策略”。

氫農(nóng)場策略將水氧化反應與質(zhì)子還原反應在空間上進行分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應和氫氧分離等問題，且反應器無需密封，原理上解決了大規(guī)模應用的技術(shù)瓶頸。由于該策略類似于在農(nóng)場中大規(guī)模種植莊稼，待莊稼成熟后集中收割糧食，故稱之為氫農(nóng)場策略。

該策略中以BiVO4（一種化合物，釩酸鉍）作為產(chǎn)氧光催化劑，太陽能到氫能轉(zhuǎn)化效率可達1.8%，相比之前報道的大多數(shù)粉末納米顆粒光催化劑有了數(shù)量級的提升，讓人們對未來太陽能光催化分解水制氫的規(guī)模化應用看到了希望。

（石明系中國科學院大連化學物理研究所副研究員，李燦系中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員）