研究人員來自東京科學研究所在太陽能制氫方面取得了一項里程碑，通過一種能夠捕捉長波可見光的敏化光催化劑將效率提高了一倍，達到800納米。這一波段的光譜，即使在陰天也豐富且穩(wěn)定，而傳統(tǒng)系統(tǒng)對此利用不足。

該研究發(fā)表在ACS Catalysis，直接指向所謂的人工光合作用的歷史瓶頸之一。

人工光合作用的挑戰(zhàn)

利用太陽能從水中制取氫氣是一個清潔而優(yōu)雅的過程：無排放、無燃燒、無碳。它基于光催化劑，這些材料吸收光子并利用能量將水分解為氫氣和氧氣。

問題在于，大多數(shù)傳統(tǒng)催化劑僅利用有限的太陽光譜，主要是高能可見光，而忽略了紅外和近紅外輻射，這在實踐中是最穩(wěn)定的。

鋨替代釕

由前田和彥教授和研究員山本春香領導的團隊決定修改一個關鍵元素：光敏化劑復合物的中心金屬。取代只能吸收至600 nm的釕，引入了鋨。

這一變化使得能夠捕捉更長的波長，接近800 nm，在那里太陽輻射豐富且不太依賴理想條件。

鋨引入了所謂的重原子效應，這有助于低能電子躍遷，特別是單線態(tài)-三線態(tài)躍遷。

這些躍遷允許用能量較低的光子激發(fā)電子，增加可用于推動氫氣生產(chǎn)反應的電子數(shù)量。結果：與基于釕的系統(tǒng)相比，效率提高了一倍。



太陽能制氫的效率提高了。

實際影響

除了技術數(shù)據(jù)外，這一進展回應了一個實際需求：太陽光并不總是直接或完美的。在城市、高緯度地區(qū)或陰天，漫射輻射仍然存在，尤其是在長波長。

能夠在這些條件下工作的光催化劑可以每天在更多地方運行更長時間，并且對方向或極端清潔的依賴性更小。

這開啟了新的場景：本地氫氣生產(chǎn)、城市立面和屋頂?shù)恼�合，或與傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)的混合使用，利用今天未充分利用的光譜區(qū)段。

限制與未來

這一進展并不意味著立即的革命。鋨是一種稀有且昂貴的金屬，仍需努力優(yōu)化穩(wěn)定性、成本和可擴展性。然而，它代表了實驗室與現(xiàn)實世界之間的橋梁，表明提高效率并不總需要更復雜的系統(tǒng)，而是更好設計的材料。

太陽能氫氣作為能源載體

用太陽能生產(chǎn)的氫氣是脫碳的關鍵。它作為儲存可再生能源過剩的能源載體，減少對化石燃料的依賴，并允許脫碳難以電氣化的行業(yè)，如重工業(yè)和運輸。

其應用包括：

能源儲存：將太陽能的間歇性轉(zhuǎn)化為可用能源并穩(wěn)定電網(wǎng)。

清潔工業(yè)：在鋼鐵、水泥、氨和甲醇等過程中替代煤炭和天然氣。

可持續(xù)運輸：通過燃料電池為車輛供能，實現(xiàn)零排放。

發(fā)電：用于固定和便攜應用的燃料電池。

合成燃料：可以精煉以生產(chǎn)可再生替代品。

與化石燃料相比，其優(yōu)勢顯而易見：零排放、可持續(xù)性和多功能性。

日本團隊的工作表明，擴大人工光合作用的有效光譜具有實際且可測量的影響。雖然不能解決所有障礙，但它在通往低碳經(jīng)濟的道路上放置了一個關鍵的拼圖，使太陽能氫氣技術更接近于實際和日常使用。

作者： 來源：Noticias Ambientales 責任編輯：jianping