接近100%！光解水催化剂制氢效率再突破

原标题：接近100%！光解水催化剂制氢效率再突破

日本信州大学超材料研究计划教授、东京大学教授堂免一成 （Kazunari Domen）在世界顶级学术期刊《自然》上公布最新研究称，经过一系列降低副反应的设计，掺杂铝的钛酸锶 （SrTiO3）在紫外线下催化光解水的量子效率已经达到了96%以上。

值得一提的是，早在1980年，堂免一成 （Kazunari Domen）发表了第一篇用钛酸锶来催化光分解水、产生氢气的论文。这表明了在这一领域取得研究成功所花费时间竟接近40年。

论文中指出，太阳光中强度最高的部分是可见光，并非紫外线。钛酸锶因此很难真正进入大规模应用。不过，作为一种模型，堂免一成团队的结果令人鼓舞，提出的改进效率设计也可能适用于可见光光催化剂。

研究表明，如果太阳光催化分解水的效率达到10%，就能具备经济上的竞争力。但是，光催化半导体的转换效率通常远低于10％。这是因为光催化过程非常复杂，并且要求半导体颗粒具有多种特性的组合。

此前最常见的方法是用太阳能电板发电，再用电分解水。

去年，青年汽车“水氢发动机”的新闻在舆论场闹得沸沸扬扬，大家纷纷质疑“水变油”的现实可行性，而这个加水就能跑的汽车，其实还加了还加了铝合金。

值得一提的是，这次日本科学家也用到了铝，但铝是作为催化剂的一种成分，而非反应物，可以反复使用。

为了衡量催化剂光解效率，科学家们定义了2个物理量：内部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）。而日本科学家做到了EQE≈96%，证明了IQE接近100%，被水吸收的光子几乎没有浪费，全部被用来分解水分子了。

是什么神奇的材料又是如何做到如此高的效率呢？

研究人员选择的初始材料，是钛酸锶（SrTiO3）。

这是一种特性良好的光催化剂，通过吸收紫外线来产生电子-空穴对。

该日本团队使用的钛酸锶早在1977年就被报道过，是人们发现的最早一批光解水材料。这次，他们使用了多种方法来解决电荷复合问题：一是提高光催化剂颗粒的结晶度，从而减少晶格缺陷；二是在晶格中掺杂少量铝原子，从而减少晶格中的化学缺陷。这些缺陷都可能成为电子和空穴复合的地方。

研究团队选择性地在不同的小平面上沉积合适的助催化剂，以促进电子收集表面上氢气的产生，收集空穴的面产生氧。

最后，研究团队还将用于制氧反应的铑催化剂包裹在铬化合物中进行保护，从而避免不必要的氧还原反应。

据论文报道，经测定，在350nm、360nm、365nm紫外波段处，铝掺杂钛酸锶的外部量子效率分别达到了95.7%、95.5%和91.6%。

这是目前光解水催化剂达到的最高效率。

在370nm和380nm处，外部量子效率值分别下降至59.7%和33.6%，这是光吸收率下降的结果，也可能因为在这些波段，内部量子效率较低。

而这也就意味着，在350-360nm这个波段，该光催化剂的内部量子效率已经接近100%