將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為氫氣似乎是解決世界能源挑戰(zhàn)的理想方案，這個(gè)過(guò)程不直接涉及化石燃料，也不會(huì)產(chǎn)生任何溫室氣體排放。

由此產(chǎn)生的氫氣可以用來(lái)為車(chē)輛、船舶和火車(chē)的燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力;它可以用來(lái)給電網(wǎng)供電。它可以用來(lái)制造化學(xué)品和鋼鐵。不過(guò)，就目前而言，清潔能源的愿景主要停留在實(shí)驗(yàn)室里。

最近，日本的研究人員表示，他們?cè)诶锰?yáng)能生產(chǎn)大量氫氣方面邁出了重要一步。長(zhǎng)野信州大學(xué)的研究小組研究了一種吸光材料，用來(lái)分解水中的氫和氧分子。現(xiàn)在他們開(kāi)發(fā)了一種兩步制氫的方法，這種方法在光催化反應(yīng)中產(chǎn)生氫氣的效率更高。

研究人員從氮氧化鉭鋇(BaTaO2N)開(kāi)始，這是一種半導(dǎo)體材料，可以吸收650納米(紅色和橙色的可見(jiàn)波長(zhǎng))的光。這種粉末狀物質(zhì)充當(dāng)光催化劑，利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。他們還使用了甲醇水溶液替代水，這使得他們只關(guān)注氫成分，減少了反應(yīng)的復(fù)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(tuán)隊(duì)用鉑基助催化劑“裝載”粉末顆粒，以增加化學(xué)活性。

因此，根據(jù)他們發(fā)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(tǒng)方法裝載鉑的BaTaO2N的100倍。

Takashi Hisatomi表示，這一結(jié)果是研究領(lǐng)域的一個(gè)“顯著發(fā)現(xiàn)”。Hisatomi是日本長(zhǎng)野信州的超材料研究項(xiàng)目的教授，近十年來(lái)一直在研究BaTaO2N。“這對(duì)我個(gè)人來(lái)說(shuō)非常令人興奮，”他說(shuō)。“這是一百倍的進(jìn)步。”

太陽(yáng)能專(zhuān)家稱(chēng)，更容易或更有效地制造氫氣的努力是“圣杯之旅”。當(dāng)用于燃料電池驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)或建筑時(shí)，這種無(wú)味的氣體不會(huì)產(chǎn)生排放或空氣污染，只產(chǎn)生少量熱量和水。

然而今天，幾乎所有的氫都是通過(guò)使用天然氣的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的，這最終會(huì)向大氣中排放更多的氣體，一些設(shè)施可以使用可再生電力來(lái)分解水分子，制造“綠色”氫，但這個(gè)過(guò)程本身是能源密集型的。如果科學(xué)家可以直接從太陽(yáng)能中提取氫氣，他們就可以跳過(guò)這一昂貴的步驟。

比利時(shí)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)太陽(yáng)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(xué)和生物成分在表面直接分解。研究人員設(shè)想將這些電池板放置在房屋頂部，讓人們用現(xiàn)場(chǎng)制造的氫氣來(lái)供暖。另外，以色列和意大利的科學(xué)家正在推進(jìn)從太陽(yáng)能到化學(xué)能轉(zhuǎn)換中提取盡可能多氫氣的方法。這個(gè)國(guó)際組織已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(jié)合。

在信州，科學(xué)研究工作人員企圖借助沉積鉑基共催化劑來(lái)提升 Batao2N光催化劑的效率。但是Hisatomi說(shuō)，傳統(tǒng)的方法一開(kāi)始并不有效。

例如，在浸漬還原過(guò)程中，表面充滿(mǎn)了含有金屬前體的溶液，然后經(jīng)受高溫，這將蒸發(fā)溶劑，留下金屬催化劑。當(dāng)Shinshu團(tuán)隊(duì)將鉑粒子應(yīng)用到Batao2N顆粒上時(shí)，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(chēng)為光沉積，它導(dǎo)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(jié)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(guò)光電沉積法應(yīng)用了第二層;這一次，微粒子生長(zhǎng)在第一步種植的廣泛分散的“種子”上。

盡管這項(xiàng)研究使用的是甲醇水溶液，而不是水，但該團(tuán)隊(duì)證實(shí)，當(dāng)與另一種驅(qū)動(dòng)氧氣進(jìn)化過(guò)程的光催化劑結(jié)合時(shí)，新開(kāi)發(fā)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(shuō)，研究小組正在考慮在板式反應(yīng)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(jié)構(gòu)，但吸收不同波長(zhǎng)的光。一個(gè)1平方米的平板反應(yīng)堆里裝滿(mǎn)了1毫米深的水層。當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，這種化學(xué)反應(yīng)會(huì)迅速釋放出氣泡。一項(xiàng)相關(guān)的研究旨在開(kāi)發(fā)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(méi)有準(zhǔn)備好在黃金時(shí)期制氫。

Hisatomi說(shuō):“我們還需要在效率上實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的飛躍，才能讓這項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮作用。”隨著研究人員繼續(xù)改進(jìn)光催化劑，他們也將開(kāi)始將兩步法應(yīng)用于其他類(lèi)型的材料。“我們不知道哪種材料最終會(huì)是最好的，”他補(bǔ)充說(shuō)。