然而，光催化過程又是一個跨越多個時間尺度的復雜反應過程，涉及化學、物理、生物等多學科的前沿科學。記者今天從中科院大連化學物理所獲悉，該所催化基礎國家重點實驗室李燦院士、李仁貴研究員等在太陽能可規(guī)模化分解水制氫方面取得新進展，率先提出并驗證了一種全新的“氫農場”策略。該策略基于粉末納米顆粒光催化劑太陽能分解水制氫，太陽能光催化全分解水制氫效率創(chuàng)國際最高記錄。該研究成果日前發(fā)表在《德國應用化學》上。

受自然光合作用原理啟發(fā)，研究團隊借鑒大規(guī)模種植莊稼的做法，率先提出并驗證了基于粉末納米顆粒光催化劑的太陽能規(guī)模化分解水制氫的“氫農場”策略，這是一種不同于國際上報道的全新策略。而該策略的實現需要解決兩大關鍵問題，一是如何實現高效光催化水氧化儲存太陽能過程，二是如何抑制納米顆粒光催化劑表面生成的氧化態(tài)和還原態(tài)儲能介質之間的反應(即逆反應)。

中科院大化所李仁貴研究員介紹，“氫農場”策略是借鑒自然光合作用中光系統(tǒng)II和光系統(tǒng)I在空間上分離以及光反應和暗反應在空間上分離的原理，將分解水反應中的水氧化反應與質子還原反應在空間上分離，避免了氫氣和氧氣的逆反應，規(guī)避了產物氫氣和氧氣分離等問題，水氧化反應器開放，原理上解決了大規(guī)模應用的技術瓶頸。

此外，研究團隊基于晶面間光生電荷分離原理，通過精確調控釩酸鉍光催化劑氧化和還原反應晶面的暴露比例，使光催化水氧化反應性能得到優(yōu)化，在Fe3+/Fe2+離子對作為儲能介質的條件下，可見光下光催化水氧化量子效率達到60%以上，“氫農場”體系的太陽能到氫能轉化效率超過1.8%，這也是目前國際上報道的基于粉末納米顆粒光催化分解水體系太陽能制氫效率的最高值。同時，利用催化劑不同暴露晶面之間的電荷分離特性以及戶外太陽光照射條件下的試驗，驗證了“氫農場”策略的可行性，為基礎研究成果轉化為應用示范提供了科學基礎。