如果你看到有人把一些白色粉末扔進水裏，不用（yòng）電，也不用（yòng）加熱或（huò）消耗其他能源，就憑太陽光或LED光源照射（shè），水就能源（yuán）源不斷分解成氫氣和氧氣。你信嗎？更令人驚奇的是，即使經過幾百個小時的實驗，這種白色粉末的量並沒有減（jiǎn）少，隻要有水（shuǐ）和光照，氫氣就能持續（xù）不斷產生。

其實，光（guāng）照分解水製取氫氣，並不（bú）是什麽新鮮事（shì）。早在1972年（nián），日本（běn）東京大學Fujishima A和Honda K兩位教授就首次發現，用二氧化鈦作催（cuī）化劑，太（tài）陽光照下，水會分解產（chǎn）生氫氣這一現象。在這種現象之中，作為催化劑的半導體（半導體的（de）金屬氧化物，二氧化鈦是常見的催化（huà）劑）起到非常關鍵的作用（yòng）。

光解水的原理為：光輻射在半導體上，當輻（fú）射（shè）的能量大於或相當於（yú）半導體的禁帶寬（kuān）度時，半導體內（nèi）電子受激發從價帶躍（yuè）遷到導帶，而（ér）空穴則留在價帶，使電子和空（kōng）穴發生分離，然後分別在半導體（tǐ）的不（bú）同位置將水還原成（chéng）氫（qīng）氣或者將水氧化成氧氣。

其基（jī）本（běn）過程如下：

①光催（cuī）化劑材料（liào）吸收一定（dìng）能量的（de）光子以後，產生電子和空穴對；

②電子空穴對分離，向光催（cuī）化劑表麵（miàn）移動；

③遷移到半導體表麵的（de）電子與水（shuǐ）反應產生氫（qīng）氣；

④遷移到半導體表（biǎo）麵的空穴（xué）與水反應產生（shēng）氧氣；

⑤部分電子和空穴複合，轉化成（chéng）對產氫無意義的（de）熱能或熒光（guāng）。

但是（shì）從1972年至今，50年過（guò）去了，光分解（jiě）水一直隻是停（tíng）留在實驗室之中，遠遠還沒有達到工（gōng）業生產的地步，主要（yào）是因為（wéi）還有三大（dà）難題（tí）沒有解決：

製氫效率低（dī）下，遠遠沒（méi）有達到10%的臨界線；

催化劑容易發（fā）生光腐（fǔ）蝕現象，很快失去活性，這使得生（shēng）產（chǎn）催（cuī）化劑的成本（běn）非（fēi）常高昂（áng），基本沒有實用（yòng）意義；

隻有在紫外光照射下才會產生氫氣。

效率低（dī）下一個（gè）主要原因是，由於（yú）電子（zǐ）帶負電，空穴帶正電（diàn），異性相吸，這使得“電子—空穴”很容易複合，導致產氫量（liàng）子效率低下，嚴重阻礙了光解水製氫的發展。因此，如（rú）何（hé）阻止“電子—空穴”的複合，提高光催化製氫效率，已（yǐ）成為目前國際（jì）上光催化（huà）研（yán）究領域的重大挑（tiāo）戰之（zhī）一，也是製約光催化製氫技術實（shí）用化的瓶頸難（nán）題。

柳清菊團隊通過大（dà）量研究發現，選（xuǎn）用（yòng）金屬銅（Cu）改性二氧化鈦（TiO2），采用（yòng）特別的方法使銅以單原子形式牢固（gù）錨定於具（jù）有大比表麵的TiO2納米顆（kē）粒表麵，單個原子作為化學（xué）反應的活性位點，使光催化活性達到最大化，產氫量子效率一下子就大幅提高到56%，在國際上首先實現了量子效（xiào）率的突破。

（量子效率，是指光敏器件，如底片、感光耦合元件等，將其受光表麵接收到的光子轉換為電子-空穴對（duì）的百分比（bǐ），底片的量子效率通常低於10%。）

銅原子改良二氧（yǎng）化鈦催化製氫機理圖。Cu+/Cu2+的可逆變化大（dà）大促進了光生載（zǎi）流子的分離和傳輸，大幅提高了光生電子的利用率，使產氫的表觀（guān）量子效率（lǜ）達到56%

純TiO2以及不同金屬單（dān）原子負載TiO2的產（chǎn）氫率，圖中數據顯示，銅的產氫率（lǜ）最高。

不同（tóng）銅原子含量下5小時（shí）的產氫量，從圖表中可以看出，當銅原子含量是1.5%時產氫量最高。

柳清菊團隊的研究還發現，改良後的二氧化鈦催化劑（jì）活性穩定，具有（yǒu）超長的光催化穩定性，曆經幾百個小時（shí）的（de）催（cuī）化分解反應，催化劑的量（liàng）幾乎沒（méi）有衰減。而常規條（tiáo）件下，即使經曆長時間的（de）存放，依然能保持和新製（zhì）備樣品的同樣產氫性能。這對於（yú）降低製氫成本，簡化生產工藝，免（miǎn）除昂（áng）貴的設備等有著重要的意義。

不同存放時長的改良後TiO2產氫的循環穩定性和長（zhǎng）期（qī）穩定（dìng）性。最後一根曲線是顯示存（cún）放（fàng）380天後的性能。

那麽，問題來了，柳清菊團隊的重大發現，會讓光分解製氫走向大規模的工業（yè）應用嗎？答案是否定的，這個發現還沒有克服第3個難（nán）題（tí）：光催（cuī）化劑隻有在紫外線照射之下才會實現“水變氫”。

迄今為止，現有光解水催化劑通常在紫外（wài）區才有活性，在波長400nm以上的可見光範圍內，它的轉化效率又迅速下（xià）降到10%以下。由於地球上（shàng）空存在臭氧層，太陽紫外線的大部分（fèn）都被擋在了外太空（kōng），到達地球表麵的隻有大約4%。太陽光的（de）能量（liàng）主要集中於可（kě）見和紅外光區。其中可見光占比約為（wéi）43%，紅外光占比為（wéi）53%。因此，如果能研發出可見光（guāng）甚至是紅外光響應的（de）催化劑，我們的（de）好日子才會到來。