光解水制氢之谜

张涛

清洁无污染、资源储量丰富……作为一种十分理想的可再生新能源，氢气密度最小，在自然界普遍存在，发热值高，燃烧性能好，本身无毒，燃烧后的产物为水，不会产生污染物质，燃烧生成的水可继续制氢，可以反复循环使用。世界各国对开发利用氢能都十分重视，投入了不少人力、财力、物力，并且已取得了多方面的进展。

早在第二次世界大战期间，液氢即用作A-2火箭发动机的液体推进剂。现在液氢已被广泛用作火箭和航天动力的燃料。氢气实在是一种理想的能量来源，只是人们一直未能找到不消耗其他能源而大量制作氢气的方法。目前，中国科学技术大学熊宇杰教授课题组的一项研究首次揭示了硅纳米线表面“光解水制氢”的机制，为其制氢性能的提高提供了新的途径。该工作以《硅纳米线光解水制氢之谜》为题，发表于国际重要化学期刊《德国应用化学》上，并入选为该期刊的热点论文。

模拟光合作用制氢

2008年8月6日，美国麻省理工大学的科学家在实验室内首次再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用的大革命，以补偿煤炭、石油等不可再生资源的消耗。

光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（葡萄糖），并释放出氧气。但这只是最终结果，整个过程一开始是将水和二氧化碳转化为氧，自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应，叶绿素分子失去两个电子，水分子发生分解。

尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述，但是想人工实现这一过程却绝非易事，主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介，在植物中充当这一媒介的是叶绿体。众所周知，水能够电解成氢和氧，但整个过程毫无意义。为了提高这一性能，化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下分解的催化剂。用钌和铂充当这种媒介，当然这两种金属都很昂贵。除此之外，反应要进行还需要特定的温度条件和气压。

产氢新途径

现在，科学家已经找到了加速水电解的另一个好方法。在光解水制氢过程中，半导体催化剂扮演着非常重要的作用。半导体材料在接受到太阳光以后将产生携带能量的激发态正负电荷，使得水通过还原和氧化反应生成氢气和氧气。“硅”是地球上储量最高且在工业上应用最为广泛的半导体材料，早已有报道预言可用于光解水制氢技术。

中国科学技术大学熊宇杰团队巧妙地利用纳米制造技术，从而发现硅材料的激发态电荷平均寿命及光催化产氢效率与其表面化学键紧密相关。另一方面，研究团队发现该过程产生的氢气和氧气的比例远高于常规思维中的比例，并通过中国科学技术大学江俊教授课题组的理论模拟，揭示该过程与传统的光催化产氢机制有所不同。基于该系列发现，研究团队首次揭开了硅材料“光解水制氢”机制的“神秘面纱”。

在理解作用机制之后，研究人员开发出了一类基于常规半导体工业技术的表面化学处理方法，为调控位于硅材料表面的化学键状态提供了简捷途径，得以理性地调变其光催化制氢性能。该研究提出了新的表面工程思路，为开发高效、自然界丰富的光催化剂铺筑有效道路，并将拓展人们对化学转化中电荷运动“微观引擎”的控制能力，对高效催化剂的理性设计具有重要推动作用。

实验实内模拟光合作用的过程是利用太阳能历史上的一个巨大创举，这将使氢气生产成为可能，并使太阳能利用步入新的时代。实现工程化产氢的那一天已不再遥远！氢气的获得也将为燃料电池等带来更广泛的应用。