太阳能制氢技术的效率大幅提升

将阳光转化为氢气似乎是解决世界能源挑战的理想方法。这一过程不直接涉及化石燃料，也不产生任何温室气体排放。产生的氢气可以为汽车、轮船和火车上的燃料电池系统提供动力;它可以输入电网，也可以用来制造化学品和钢铁。不过，目前清洁能源的愿景主要存在于实验室。

最近，日本研究人员表示，他们在利用太阳能制造大量氢气方面迈出了重要一步。来自长野信州大学的研究小组研究了一种能分解水中氢气和氧分子的吸光材料。现在他们开发了一种两步方法这大大提高了从光催化反应中产生氢气的效率。

研究人员从氧化氮化钡钽(BaTaO)开始₂N)，一种半导体材料，可以吸收高达650纳米的光(a可见光的波长在红色的橙色末端)。这种粉状物质作为光催化剂，利用驱动反应所需的太阳能。他们还使用甲醇水溶液代替水，这使得他们只关注氢成分，降低了反应的复杂性。

就其本身而言,BaTaO₂N很难从溶液中“进化”出氢气。因此，使用他们的新方法，Shinshu团队用铂基辅助催化剂“装载”粉末颗粒，以提高化学活性。

结果，这些材料更有效地进化出氢——大约是氢的100倍BaTaO₂N用常规方法装载铂，根据他们的论文在杂志中自然通讯。

隆Hisatomi该研究的合著者之一，说这些结果是该研究领域的一个“显著发现”。Hisatomi是日本长野Shinshu supra材料研究计划的教授，他研究过BaTaO₂在美国工作了近十年。“这对我个人来说非常令人兴奋，”他在谈到100倍的改进时说。

太阳能专家称，更容易或更有效地制造氢气的努力是一项艰巨的任务。圣杯之旅“当用于燃料电池驱动的汽车或建筑时，这种无味气体不会产生排放或空气污染——只会产生一点热量和水。然而，如今几乎所有的氢气都是通过涉及天然气的工业过程制造的，最终会向大气中排放更多的气体。少数设施可以利用可再生电力分解水分子来制造“绿色”氢，但这一过程本身是能源密集型的。如果科学家可以直接利用太阳能制造氢气，他们就可以绕过这一昂贵的步骤。

在比利时，鲁汶大学的一个研究小组正在开发太阳能电池板它们收集空气中的水分，然后利用化学和生物成分直接在表面分解水分。研究人员设想将这些电池板安装在房屋顶部，让人们可以用现场制造的氢气为房屋供暖。分别是以色列和意大利科学家都是先进的方法从太阳能到化学能的转换中提取尽可能多的氢。这个国际组织已经开发出杆状纳米颗粒，顶端有铂球，可以防止氢和氧分子分离后重新结合。

在信塾，研究人员试图提高BaTaO的效率₂通过沉积铂基共催化剂制备N光催化剂。但Hisatomi说，传统的方法一开始并不有效。

例如，在浸渍还原过程中，表面被含有金属前体的溶液填充，然后受到高温的影响，蒸发溶剂，留下金属催化剂。当Shinshu团队将铂微粒应用到BaTaO上时₂N颗粒时，颗粒趋于聚集，限制了材料之间的电子相互作用。另一种方法，称为光沉积，导致BaTaO之间的弱接触₂N和助催化剂，反过来削弱相互作用。

因此，研究人员将这两种方法结合起来。首先，他们使用浸渍-还原过程只沉积了少量的辅催化剂，这防止了颗粒聚集。然后他们用光沉积法涂上第二层;这一次，细颗粒生长在第一步中播下的广泛分散的“种子”上。王政和罗颖分别在Kazunari Domen和Katsuya Teshima的监督下进行了调查。

虽然这项研究涉及的是甲醇水溶液，而不是水，但研究小组证实，新开发的铂负载BaTaO₂N能比之前的BaTaO更有效地分解水中的氢和氧分子₂N版本，当与另一种驱动氧气进化过程的光催化剂结合时。

Hisatomi说，该团队正在考虑在面板式反应堆上打印粉状光催化剂。他和他的同事们做到了已经制造了这样一个设备使用另一种材料，掺铝钛酸锶(SrTiO_3.)，其晶体结构与八陶相同₂N，但吸收不同波长的光。这个1平方米的面板反应堆充满了1毫米深的水层。当暴露在阳光下时，化学反应会迅速释放气泡。一项相关的研究旨在开发能将氢气和氧气气泡分开的膜。

不过，尽管效率跃升了100倍，八涛₂N还没有完全准备好进行黄金时段的制氢。

Hisatomi说:“我们仍然需要在提高效率方面取得类似的飞跃，才能使这项技术实际应用。”随着研究人员不断改进光催化剂，他们也将开始将两步方法应用于其他类型的材料。“我们不知道哪种材料最终会成为最好的，”他补充道。