150年預言成真：水成燃料？中國利用光分解水製氫研究取得新突破

150年前，科幻大師凡爾納預言水將成為未來燃料。如今，這一夢想正逐步實現。中國科學院金屬研究所劉崗團隊在光催化分解水製氫領域取得重大突破，通過改造二氧化鈦大幅提升製氫效率，成果登上《美國化學學會雜誌》。這項技術有望以太陽能直接分解水，生產清潔氫能，為能源結構轉型注入動力。

 水製氫技術背景及意義

 氫能因其燃燒產物僅為水、無污染物排放的特性，被認為是實現全球「碳中和」目標的關鍵清潔能源。目前，利用太陽能製氫主要有兩種技術路徑：一是先通過太陽能電池發電，再利用電力電解水製氫，此方法能量轉換效率較高，但設備系統複雜且初始投資較大；二是利用半導體材料在陽光照射下直接分解水分子產生氫氣，即「光催化分解水製氫」。後者因其流程簡潔、潛在成本較低的優勢，被視為製取「綠氫」的理想技術之一。若能有效提升其效率，將對能源領域產生重大影響，並加速「氫經濟」的發展進程。

 中國團隊利用光分解水製氫研究取得新突破

 中國科學院金屬研究所劉崗所長及其研究團隊，專注於光催化分解水製氫技術，選擇了常見且成本較低的二氧化鈦（TiO₂）作為研究對象。傳統二氧化鈦在光照下產生的電子和空穴（分解水分子的反應媒介）壽命極短，大部分會迅速複合而失去活性，導致製氫效率偏低。此外，材料製備過程中易形成「氧空位」缺陷，這些缺陷會捕獲電子，進一步降低光催化效率。

 為解決這些問題，劉崗團隊採用了向二氧化鈦中引入鈧(Sc)元素的策略。研究表明，鈧元素的加入產生了多方面正面效應：首先，鈧離子的半徑與鈦離子相近，可以進入二氧化鈦的晶格結構而不引起明顯的結構扭曲；其次，鈧的穩定氧化態有助於補償氧空位造成的電荷不平衡；最重要的是，鈧離子的存在能夠調整材料的表面電子結構，形成有利於電子與空穴分離並向材料表面遷移的通道，從而提升了參與水分解反應的電荷數量。這些改進措施顯著增強了光解水製氫的整體效率。

通過精密調控，團隊成功研制出性能顯著提升的二氧化鈦材料，其紫外線利用率突破30%，模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升15倍，創造了該材料體系的新紀錄。相關研究成果已於今年4月8日發表在《美國化學學會雜誌》。

 推動能源結構轉型

 光催化製氫技術的突破為能源結構轉型提供新動力。根據中國國家發改委數據，2025年中國可再生能源消費量將超11億噸標煤，氫能作為儲能與燃料載體，成為調節可再生能源間歇性的關鍵。劉崗團隊的技術降低綠氫生產成本，有助於氫能在交通、工業及發電領域的應用。國際氫能委員會報告預測，綠氫成本到2030年可降至每公斤2美元，與灰氫（以化石燃料為原料的氫氣）競爭。中國在氫能專利數量上已超越日本，穩居全球第一，顯示其在氫能產業鏈的領先優勢。這項技術將加速全球能源從化石燃料向清潔能源轉型，助力實現2050年淨零排放目標。

Text by BusinessFocus Editorial

免責聲明：本網頁一切言論並不構成要約、招攬或邀請、誘使、任何不論種類或形式之申述或訂立任何建議及推薦，讀者務請運用個人獨立思考能力自行作出投資決定，如因相關言論招致損失，概與本公司無涉。投資涉及風險，證券價格可升可跌。