開上氫能源汽車，加氫3分鍾就能跑（pǎo）800公裏，還是零排放（fàng），隨著製氫技術的發（fā）展和產業化應用，這一場景（jǐng）有望成為（wéi）現實。在碳達峰、碳中和背景下，氫能成為（wéi）未來的重要能源，如何高效、低成本製氫，特別是光解水製（zhì）“綠氫”是許多科學家研究的方向。

北京時間（jiān）2022年10月18日4時，上海理工大（dà）學材料與化學學院化學係廉（lián）孜超（chāo）特聘教授和京（jīng）都大學化（huà）學研究所“通過等離子體能量上轉換利用紅外（wài）太陽能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的（de）研究成果發表於綠色可持續發展技術和環境科學領（lǐng）域國際頂級期刊《自然-可持續發展》(Nature Sustainability)。研究提供了一種利用光解水（shuǐ）未開發的（de）太陽能紅外光區誘導材料（liào）能量轉化的新方案，在國際上填補了非貴金屬實現高效的等離激元能量上轉換效率這一領域的空白，意味著“水變氫（qīng）”有了一條可實用化的新路徑。

《自然-可持續（xù）發展》Nature Sustainability論文封麵圖

太陽光光譜中包含5%的紫外光、43%的可見光和52%的紅外光，以往有關光催化的研究大多限製在紫外（wài）光和可見（jiàn）光範圍內，而幾乎占太陽能一（yī）半的紅外光卻被白白浪費了。是（shì）否可以開發出能夠拓展太陽光譜響應範圍的光催化劑，從而充分利用太陽光資源（yuán）呢？

帶著這樣（yàng）的疑問，廉孜超教授團隊進行了（le）深入研究（jiū），創造性地提出使用半金屬-半導體性質的硫化銅（tóng）（CuS）構（gòu）建半導體異質結，形成良好的等離子體紅外到（dào）可見能量上轉換係統，從而大幅提升紅外光利用率，也使氫（qīng）能的規模化、平價（jià）化應用成為可能。

“當入射（shè）光子頻率恰好與金屬納米顆粒或金屬傳導電子的整體振動頻率相匹配，可以視為光子成功‘撥通（tōng）電話’，並被振蕩‘接通電話’後（hòu）吸收（shōu），隻有極少的（de）光發生（shēng）散射，此時光譜上出現一個較強的共振吸收峰，產生的表麵等離激元電子和空穴會同時傳遞到臨近（jìn）的寬禁帶半導體上麵（miàn）。”廉孜超教授團隊，將這一過程形象地稱為“等離子體爬坡”，並介（jiè）紹這意味著光催（cuī）化劑中的等（děng）離激元隻要攀升到能發生局域表麵等離子體共振的“坡”上，就能實現能（néng）量的（de）增強和轉化，將太陽能中的紅外光能轉換為可見光能，最終達到提高光解水紅外光利用率的目的。

上海理工大學 廉孜超特聘教授

在（zài）利用紅外光讓“水變氫”的過程中，光催化材料是核心，材料的活性、穩定（dìng）性和成本則是決（jué）定光催化（huà）技術能否實際應（yīng）用的關鍵。“關於等（děng）離激（jī）元上轉換（huàn），目前隻有極少數的課題（tí）組報道過，主要集中在金銀合金修飾的GaAs半導（dǎo）體，其能量轉換效率在0.1-1%。而廉孜超教授團隊利用硫化銅成（chéng）本更低，轉換（huàn）效率達到5.1%。”

紅外光到（dào）可見光能量上轉換機理圖

整個研究曆時5年之久，廉孜超研究團隊輾轉國內外，遠赴豐田工業大學和日本立命館（guǎn）大學做瞬態吸收光譜相關測試。測試過程中，團隊嚐試多種可能的方（fāng）法，發現了高效率的等離子體空穴的轉移現象（xiàng），對等離子體紅外到可見能量（liàng）上（shàng）轉換係統的構建有了初步構想。由於等離激元上（shàng）轉換這一領域涉足（zú）者鮮少，廉孜超團隊選擇的“拓荒之路”注定（dìng）充滿艱辛（xīn）。催化劑在（zài）轉換係統中扮演著重要角色，而研（yán）究（jiū）團隊（duì）把興（xìng）趣稱作科研（yán）過程中最（zuì）好的“催化劑”功夫不負有心人，最終研究團隊將紅外光到可見光的等離激元能量上轉換效率推至（zhì）5%以上。