太阳能制氢：离梦想更近一步

导语：近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所在纳米棒阵列可见光催化裂解水产氢研究上取得重大突破，相关结果发表在Nanoscale杂志。
　　随着全球能源和环境危机日益加重，太阳能作为一种清洁和可持续利用的能源，被认为在应对全球能源和环境问题方面具有巨大的潜在价值。
　　太阳能制氢，是人类探索太阳能利用的美好愿景，近年来学术界和产业界进行了大量的努力和探索。到目前为止，科学家对太阳能制氢的研究主要集中在如下几种技术：热化学法制氢、光电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢。
　　其中，利用太阳光照射裂解水产生氢气能源的光电化学方法，由于其原理简单、过程环保且氢气燃料能量密度高而备受瞩目。而这种技术的关键在于高效、低成本、长寿命光催化材料的合成。
　　近日，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所在纳米棒阵列可见光催化裂解水产氢研究上取得重大突破，相关结果发表在Nanoscale杂志。
　　神奇的纳米棒阵列
　　中科院苏州医工所研究员董文飞向记者介绍了他们的最新成果——利用简便的水热合成方法制备了超长ZnO@TiO2核壳结构纳米棒阵列，并在纳米棒表面负载纳米结构的多金属硫化物固溶体，形成高比表面积的薄膜电极材料。
　　“这种薄膜电极材料具有较好的可见光光电响应特性和光催化活性，具备一定的产氢能力，便于和微纳光电子器件集成，在太阳能电池、微纳能源和生物检测系统等方面有良好的应用前景。”董文飞说。
　　记者了解到，现有的很多高效稳定的光电化学裂解水系统主要是基于TiO2、 Fe2O3和ZnO等半导体材料开发的。其中，单晶ZnO纳米棒阵列是一种良好的电极材料，具有快速的电子传输通道和较高的光转换效率。
　　“但是，ZnO和TiO2都是宽带隙半导体材料，仅能吸收太阳光谱中的紫外光波段的能量，并且内部激子复合速率很高，由此导致太阳能利用率比较低。”董文飞告诉记者。
　　而他们的研究价值正在于此。董文飞等科研人员发现可以利用CdS、CdSe和PbS等窄带隙金属硫化物半导体材料修饰单晶ZnO纳米棒表面，将吸收光谱拓展至可见光波段，从而有效利用太阳光各波段光谱的能量，提高了其太阳光光催化性能。
　　他们同时进行了光电化学性能表征和可见光催化裂解水产氢测试。实验测试数据表明，他们制备的这种表面负载多金属硫化物固溶体的ZnO@TiO2纳米棒阵列，在可见光波段具有良好的光吸收特性，能量转化效率较高，化学性质稳定，对环境无毒性且与其他材料体系相容性较好。“特别地，其便于与微纳光电子器件集成，在能源和纳米光电子学领域应用前景良好。”董文飞说。
　　克服重重险阻
　　“如何制备超长的单晶ZnO纳米棒，是研究中比较难解决的问题。”董文飞坦言，这是整个实验工作的基础。
　　“目前常见的太阳能光催化产氢材料多以粉末状材料的形式存在，针对我们制备的薄膜材料，需要动手搭建测试平台，才能利用商用光电测试系统获得光电响应和可见光催化产氢等一系列实验数据。”董文飞说。
　　为此，他们设计加工了石英测试池和辅助器材，利用电化学工作平台和光功率计等仪器获得了薄膜材料的光电响应数据。同时，利用粉末状材料的光催化产氢系统，经过结构改造获得了同等条件下薄膜材料的光催化产氢数据。
　　而所有工作中最关键也最耗费心血的就是材料的设计和制备。通常一个材料的制作周期是一个星期，实验工作每天最常见的就是配制生长液、旋涂晶种、高温退火、材料生长以及清洗样品。从早晨到实验室一直到晚上很晚离开，中间除了午饭的半个小时以外，基本全部投入实验，如此反复，枯燥乏味。
　　“每一步都必须小心谨慎，很可能一个疏忽，会导致一批样品制备失败，需要投入很大的耐心。”董文飞说。制备一批材料以后，还需要进行后续的测试，不断根据实验结果进行优化。经常会遇到两个星期的材料制备后，实验结果不理想，一无所获的情况。但还是没有灰心气馁，坚持下来了，从最初实验设计到最后获得可以接受的稳定的实验结果，前后大约7个月时间。
　　“事非经过不知难。也正是这种不断的思考，实践，失败，反思，再思考，再实践的螺旋上升的过程，更能体现科研的乐趣和魅力，正是这种很艰辛的科研探索促进了对自身科学思维能力的锻炼和提升。”董文飞说。
　　向材料体系拓展
　　屏蔽此推广内容　　“利用简易的水热合成方法可以大批量制备，并具有稳定高效的产氢能力。”董文飞说，同时这种方法能够避免使用有毒的Pb、Cd和Se等元素的硫化物，减少了对环境的不利影响。
　　“已经完成的工作只是一个初步的探索和实践。后续的工作将不拘泥于单一材料，实验将向系列化的材料体系拓展。”谈及下一步研究，董文飞表示他们还将利用研究组之前的材料研究积累和新搭建的生物测试平台，在材料形貌设计和性能调控等方面作更多的探索，目标是使所用的材料体系便于微纳结构化制备和系统集成，以期在微纳能源和生物检测系统等方面发挥作用。
　　“基于这项初步的探索工作，后续我们将主要关注三个方面：一是将这项工作拓展到更有普遍意义的宽禁带半导体和窄禁带半导体相结合的材料，可以更好地利用太阳光全光谱的能量;二是受到这项工作的启发，以现有材料良好的光催化性能为基础，探索制备钙钛矿太阳能电池，获得更高的光电转换效率;三是将这种材料应用于生物检测系统，充分发挥我们研究所生物检测平台的技术优势，并且目前已经获得了初步的实验结果。”董文飞说。