150年前，科幻大師凡爾納預(yù)言，水將成為終極燃料?？茖W(xué)家一直努力發(fā)展能夠?qū)⑦@一預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的各種可能的技術(shù)。其中包括通過(guò)陽(yáng)光直接分解水獲取氫氣，這項(xiàng)被稱(chēng)為“光催化分解水”的技術(shù)屬于低碳技術(shù)。

　　目前，太陽(yáng)能制氫主要有兩種方式。一種是太陽(yáng)能電池發(fā)電再電解水，其效率高但設(shè)備復(fù)雜且昂貴；另一種是太陽(yáng)光直接光解水，即通過(guò)氧化鈦等半導(dǎo)體材料在陽(yáng)光下“一鍵分解”水分子。光解水自1972年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)便是能源界的“超級(jí)明星”。

　　這種特殊的“光之催化材料”受到陽(yáng)光照射時(shí)，如同微型發(fā)電廠(chǎng)一樣開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，在二氧化鈦晶體的體相布滿(mǎn)數(shù)以?xún)|計(jì)的“能量接收站”。每個(gè)“接收站”由鈦原子和氧原子精密排布構(gòu)成。當(dāng)陽(yáng)光中的光子撞擊時(shí)，“接收站”便激發(fā)出攜帶能量的電子-空穴對(duì)。

　　然而，傳統(tǒng)二氧化鈦存在致命缺陷，即這些被激活的電子和空穴像是迷失方向的賽車(chē)，在如同“迷宮”的材料內(nèi)部橫沖直撞，多數(shù)的電子和空穴在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)就會(huì)復(fù)合湮滅。同時(shí)，高溫制備環(huán)境易導(dǎo)致氧原子“離家出走”，形成帶正電的氧空位，吸引電子形成致命的“陷阱區(qū)”，使得“迷宮”充滿(mǎn)陷阱。

　　中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉崗團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵在于“元素替代”和“結(jié)構(gòu)整容”?？蒲腥藛T選擇鈧（Sc）作為“改造工程師”。鈧有三大“絕技”：一是鈧離子半徑與鈦相近，能夠嵌入晶格而不造成結(jié)構(gòu)變形；二是鈧的穩(wěn)定價(jià)態(tài)+3價(jià)能夠中和氧空位帶來(lái)的電荷失衡；三是鈧原子在表面可以重構(gòu)晶體原子排布，并得到特定的晶面結(jié)構(gòu)，從而能夠指引光生電子和空穴跑出“迷宮”。

　　研究引入5%的鈧原子，制備出顆粒表面由{101}和{110}兩類(lèi)晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個(gè)晶面如同精心設(shè)計(jì)的“電荷高速公路”——一個(gè)晶面專(zhuān)門(mén)收集電子，另一個(gè)負(fù)責(zé)接收空穴。尤其是兩個(gè)晶面之間形成強(qiáng)度堪比太陽(yáng)能電池的定向電場(chǎng)，這相當(dāng)于在數(shù)百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設(shè)電荷運(yùn)輸?shù)?ldquo;立交橋”。

　　改造后的半導(dǎo)體光催化材料展現(xiàn)出性能飛躍：光生電荷分離效率提升200余倍，對(duì)波長(zhǎng)為360納米紫外光的量子利用率突破30%；在模擬太陽(yáng)光下，其產(chǎn)氫效率比已報(bào)道的二氧化鈦高出15倍，創(chuàng)造了該材料體系的新紀(jì)錄；若將其制作成100m2的光催化板，一天光照時(shí)間產(chǎn)生的氫氣可以驅(qū)動(dòng)一輛氫能汽車(chē)行駛68公里。

　　4月8日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上。

鈧摻雜氧化鈦晶體結(jié)構(gòu)和光解水反應(yīng)示意圖