中國網/中國發展門戶網訊 中國科學院金屬研究所劉崗團隊研究發現，引入5%的鈧原子製備出的新型二氧化鈦材料，能夠顯著提升光催化分解水制氫的效率，對於能源結構升級具有重要意義。相關成果於4月8日發表在《美國化學會會刊》。

左一為傳統二氧化鈦材料，左二至右一為引入鈧原子的新型二氧化鈦材料。中國網 王虔/攝

當前，人類能源逐步向“貧碳富氫”方向發展，由傳統燃料向清潔燃料轉變。太陽能直接制綠氫是國際競相發展的前沿技術。太陽能制氫主要有兩種方式：一種是太陽能電池發電再電解水，其效率高但設備複雜且昂貴；另一種是太陽光直接分解水，通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下“一鍵分解”水分子，獲取氫氣，被稱為“光催化分解水”技術。當二氧化鈦在水環境中受到陽光照射時，就可以像微型發電廠一樣運轉，分解水釋放出氫氣。但是，傳統二氧化鈦由於材料結構的原因，制氫轉化率低下。

劉崗團隊研究發現，解決問題的關鍵在於“元素替代”及“結構整容”。他們選擇了元素週期表中鈦的鄰居——鈧（Sc）作為改造工程師。鈧是稀土元素，鈧離子半徑與鈦相近，不會造成材料結構畸變；同時，鈧的穩定價態恰好能中和傳統二氧化鈦材料在高溫製備下產生的電荷失衡；鈧原子在新材料表面還能重構晶體原子排布，得到特定的晶面結構。

通過引入5%的鈧原子，研究團隊成功製備出顆粒表面由{101}和{110}兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。兩個晶面之間形成了強度堪比太陽能電池薄膜中的定向電場（約1kV/cm），這相當於在數百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設了電荷運輸的“立交橋”。改造后的二氧化鈦，光生電荷分離效率提升200餘倍，對波長為360 nm紫外光的量子利用率突破30%。在模擬太陽光下，其產氫效率比已報導的二氧化鈦高出15倍，創造了該材料體系的新紀錄。

鈧摻雜氧化鈦晶體結構和光解水反應示意圖。中國科學院金屬研究所供圖

劉崗介紹，我國在二氧化鈦及其後續光催化材料的發展及工業應用方面具有得天獨厚的產業優勢。中國二氧化鈦產能佔全球50%以上，已形成完整的產業鏈；鈧在地殼中主要以稀土伴生礦的形式出現，中國稀土鈧的儲量位居世界前列，稀土分離提純技術也居於領先水準。“研究人員把我國資源儲量具有優勢地位的兩類元素結合，把傳統二氧化鈦的功能從弱提升到強，希望吸引更多的科研人員加入到二氧化鈦光催化材料的研究中，把二氧化鈦的材料性能做得更高，為將來的應用奠定材料基礎。”

劉崗介紹，目前新型二氧化鈦材料僅對紫外光有接收轉化作用，接下來他們將致力於讓材料對波長更長的可見光產生作用，進一步提升產氫效率。“我們希望再通過10年左右的努力，把材料在可見光下的量子效率也能做到30%以上。”他以能夠進行光合作用的植物進行類比：製備出可高效吸收太陽光的光催化材料相當於有了“葉綠素”；以此為基礎，調控組裝出可高效利用光生電荷的微介觀結構相當於組成了“葉綠體”；這兩項研究目前均分別取得了實質性進展，未來，科研人員將研究把“葉綠體”集成放大、進行系統性能提升，製備出可規模化進行太陽能轉化的“人工樹葉”。