雲南大學柳清菊教授團隊與英國倫（lún）敦大（dà）學學院唐（táng）軍旺教授團隊、華東師範（fàn）大學黃榮（róng）教授團隊合作，以單原子銅錨定二氧化鈦，成功製備新型光（guāng）催化劑，其分解水製（zhì）氫量子效率高（gāo）達56%。這意（yì）味著“水變氫”有了一（yī）條（tiáo）可實用化的新（xīn）路徑。

在太陽光或一縷LED紫外光照拂下（xià），玻璃燒（shāo）杯（bēi）中加入一點點白色粉末，無（wú）須加熱也無須（xū）其他能源，燒杯裏的水（shuǐ）便可源源不（bú）絕產（chǎn）生氫氣，且經過數百小（xiǎo）時的實驗，這種白色粉末的量並未衰減。在雲南大學材料與能源學院實驗室（shì），你能見到這樣的“奇觀”。

在碳（tàn）達峰、碳中和背景下，潔淨的（de）氫（qīng）成為未來的重要能源，高效、低成本製氫，特別是光解水製氫是科學家研究的方向。1月10日，國際（jì）著（zhe）名期刊《自然・通訊》發表了雲南大學柳清（qīng）菊教（jiāo）授（shòu）團隊與英國倫敦大學學（xué）院唐軍旺教授團隊、華東師範大學黃（huáng）榮教授團隊合作的一項重（chóng）要研究成果――以（yǐ）單原子銅錨定二氧化鈦，成功製備新型光催化（huà）劑，其分解水製氫量子效率高達56%，被審（shěn）稿（gǎo）人稱為“世界紀錄”。這意味著“水變氫”有了一條可實用化（huà）的新（xīn）路徑。

提高催化效率才能助推光解水製氫走向實用化

氫能（néng）是一種（zhǒng）清潔無汙染的可再生能源（yuán），燃燒（shāo）值很高，可達每千（qiān）克140兆焦（jiāo）耳，其具有來源豐富、燃燒產物無二次汙染等優點，有望（wàng）代替石油和天然氣，因而（ér）受到世界範圍的廣泛（fàn）關注。若（ruò）能得以大規模實（shí）際應用，將為“雙碳”目標（biāo）的順利（lì）實現作出貢獻。

“目前，製備氫的主要方法有化石燃料製氫和電解水製氫，但兩種方法都需消耗傳統能源。”柳清菊向科技日報記者介紹，化石燃料製氫，二氧化碳（tàn）排放量大，每生產1千克氫氣，將產生10千克左右的二氧化碳；而電解水製氫也存在（zài）能耗和成本問題。“在環境和能源問題日益嚴重的（de）今（jīn）天，開發清潔、可持續、低成本的製氫技術，推進氫能的發展顯得尤為迫切（qiē）和重要。”柳（liǔ）清菊說，采用光催化技術，利用太陽能驅（qū）動水分解製氫是一種極具發（fā）展前途的（de）新方（fāng）法。

自1972年科學家（jiā）發（fā）現二氧化（huà）鈦半導體具有光催化性能以來，光解水製氫一直受到學（xué）術界及產業界的關（guān）注與重視。在能（néng）量（liàng）大於或等於半導（dǎo）體禁帶寬度的（de）光照射下，光催化材料價帶中的電子（zǐ）吸收入射光子的能量躍遷到導（dǎo）帶，形成“電子―空穴”對，空穴和電子遷移到材料（liào）表麵，與表麵吸附的水分子發生氧化還（hái）原反應，也就是電子與水發生還原反應產生氫氣，空穴氧化水產生氧氣。

然而，由於電子帶負電，空穴帶正電，使得光催化材料中（zhōng）光照所產生的“電子―空穴”很容易複（fù）合，導致產氫量子效率低下，嚴重阻（zǔ）礙了光（guāng）解水製氫的發（fā）展。因此，如何阻（zǔ）止“電子―空穴（xué）”的複合，提高光催化製氫效率，成（chéng）為目前國際上（shàng）光催化研究領域的重大挑戰（zhàn）之一，也是製約光催化製氫技術實用（yòng）化的瓶頸難題。

這其中，光催化材料（liào）是核（hé）心。而光（guāng）催化材料的活性、穩定性和成本（běn）是決定光催化技（jì）術能否實際應用的關鍵。

銅離子“補位”新型光催化材料設計（jì）製備突破瓶頸（jǐng）

金屬單原子催化劑是近年來迅速發展起來的新型催化劑。相（xiàng）比傳統金屬催化劑，金屬單原子催化劑中（zhōng）的原子以單個的形式負（fù）載在載體上，在催化反應中可充分參與反應，實現反應活性（xìng）中（zhōng）心的（de）最大化，利用效率可（kě）接近100%，在理論上可以同時提高催化活性並降（jiàng）低成本。然而（ér）由於單（dān）原子具有極高的表麵能（néng），在合成和催化反應過程中容易團聚、穩定性差、壽命短且製備（bèi）成本（běn）高，阻礙了其實際應用。

“這次起光催化（huà）作用的二氧化鈦，是一種鈦和氧規則（zé）排列的晶體，我們通過獨特的（de）合成工藝，在其中生成大量的鈦空位。”柳清菊向記者解釋，有了（le）這些鈦空位，就可以（yǐ）請銅離（lí）子來幫忙“補位”。

“通過對鈦基有機框架材料（liào）MIL-125中鈦空位的設計和可控合成，我們研製出具（jù）有（yǒu）大比表麵積和豐富鈦空（kōng）位的二氧化（huà）鈦納米材料，以此為（wéi）載體錨定過渡金屬銅單原子，使銅（tóng）與二氧化鈦形成了牢固的‘銅（tóng）―氧―鈦’鍵。”柳清菊介紹，在光催化製氫反（fǎn）應過程中，一價陽離子銅和二價陽離子銅的可逆變化，大大促進了光生“電子―空穴（xué）”的（de）分離和（hé）傳輸，大（dà）幅提高了光生（shēng）電子的利用率，使產氫量子效率獲得突破，達到56%。這項突破獲得了歐洲科學院院士、倫敦大學學院光催化和材料化學終身教（jiāo）授唐軍旺團隊的驗證。

成本、工藝更（gèng）“親民”光解水製氫產業已初露曙光

新（xīn）研製的二氧化鈦基光催化材料，具有性能穩定、無毒、無二次汙染等優（yōu）點，且生物（wù）相容性好、製備方法簡單、成本低，與傳統方法相比（bǐ）優勢明顯（xiǎn）。通常含貴金屬的（de）催化劑，催化活性高，但相應的成本也極高。“新材料中（zhōng），我們用的是‘賤金（jīn）屬’銅，它儲量大（dà）、價格低、易獲得，這是成本降低的第一個方麵。”柳清（qīng）菊介紹，此外，原有的催化材料中單（dān）個金屬原（yuán）子活性很大，很容易形成團簇，使得催化活性（xìng）降低。研發團隊將銅原子牢固地錨定在鈦空位上，不容易團聚，創新性地解決了這個（gè）問題，穩定時間很（hěn）長，在常溫常濕條件下，樣品放（fàng）置380天之久，仍然具有與新製備樣品相當的產氫（qīng）性能，進一步降低了產（chǎn）氫（qīng）成（chéng）本；另外，新型光催化材料製備工藝簡（jiǎn）單，無需昂貴的設備，使光催化製氫更加“親民”。

近年來（lái），柳清菊團隊在實驗室進行了大（dà）量的基（jī）礎研究，包（bāo）括材料設計、合成（chéng）工藝、機理（lǐ）研究、性能（néng）優化等，已獲得穩定的高性能光解水製氫（qīng）光催化材料的實驗室製（zhì）備工藝，正準備開展放大工藝研發，為後續產業化奠（diàn）定基礎。雖然傳統的光催化材料成（chéng）本高、量子效率低，國內光催化產氫市場尚未成熟（shú），但隨著（zhe）產業（yè）鏈銜接及相關（guān）政策的完善（shàn），光催化製氫產（chǎn）業化已是曙光（guāng）初露。

對（duì）柳清菊團隊（duì）而言，56%的產氫量子效率（lǜ）也不是終點。“我們還在繼續努力，使效（xiào）率進一步提高，如果（guǒ）能（néng）夠提高到70%以上，對生產應用的意義將是不言而喻的。”柳（liǔ）清菊說，找準了方向（xiàng），效率再（zài）提升將不是夢。隨著光（guāng）解水效率進一步提高和成本進（jìn）一步降低（dī），氫能時代將加速到來，人類也將還地球以綠水青山。