近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室教授羅毅領導的研究小組成員（yuán）江俊，與微尺（chǐ）度物質（zhì）科學國家實驗室教授趙瑾（jǐn）合作，利用第一性原理計算，提出了（le）首（shǒu）個光解水製氫儲氫一體化的材料體（tǐ）係設計，該方案具有低成本、通用性、安全儲氫的優點。相關成果（guǒ）以Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures 為題發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。

　　氫能經濟（Hydrogen economic）是20世紀（jì）70年代提出的一個最“完美”的可持續能源方案（àn），以氫為媒介（製備、儲存、運輸和轉化）的一種未來的經濟結（jié）構（gòu）設想。以用之不竭的太陽（yáng）光驅動，把水（shuǐ）分解為氫氣和氧氣。而氫是一（yī）種清潔能源（yuán），燃燒生成水，不會產生任何汙染物，達到環保可再生可持續發展（zhǎn）的目標。

　　然而，長久以來光解水製氫的發展停滯（zhì）不前，“氫能經濟（jì）時代”的（de）大門似乎已經關閉。其（qí）原因是氫氣的收集和存儲（chǔ）上的技術瓶頸抑製了光解（jiě）水（shuǐ）製氫的實（shí）際應（yīng）用。氫氣的產生依賴（lài）於光生電子和空穴分別遷移到氧化和還原（yuán）位（wèi）點，使得二（èr）者間距必須（xū）小於電子的平（píng）均自由程（約為10~50 nm）。如此短的間距不僅導（dǎo）致逆反應的發生無法避免，也增加了分離（lí）和收集氫氣的困難。另一方麵，氫氣的安全存（cún）儲是（shì）一項長期（qī）的挑戰。氫氣（H₂）與氧氣（qì）（O₂）混合極易發生反應，產生爆炸，十分危險。而常用的高壓液化後金（jīn）屬儲氫（qīng）成本高，使（shǐ）用不（bú）便。因此（cǐ），在開發出低成本收集氫氣和安全儲氫的解決方案之前，太陽能光解水（shuǐ）製氫無法得以有效地大規模應用。

　　針對光解水製氫過程中（zhōng）的逆反應嚴重、氫氣難分離和存儲的問題，研究人員從英（yīng）國科學家安（ān）德烈·海姆爵士（諾貝爾獎獲得（dé）者（zhě））和（hé）中國科大教授吳恒安（ān）的研究工作得到（dào）啟發：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，缺對質子能夠“網開一（yī）麵”，大方放行。利用這一大自然給質（zhì）子開（kāi）的“方便之門”，江俊等設計了一（yī）種二維碳氮材料與石墨（mò）烯（xī）基（jī）材料複合的三明治結構。

　　江俊課題組長期深耕於光催化體係設計與（yǔ）模擬領域，聚焦於電子運動這一關（guān）鍵主線，通過結構設（shè）計精（jīng）準調控材料體係中的電子被激發（fā）後演化行為（J. Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750； J. Am. Chem. Soc. 2016,128,8928; Angew Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6396; Angew Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11495），提出了一係（xì）列在實（shí）驗中（zhōng）證明（míng）行之有（yǒu）效的（de）光催化體係設計。而在這次的三明治結構體（tǐ）係中，碳氮（dàn）材（cái）料夾在兩層官能團修飾的石墨烯中。第一性原理計算表明，這（zhè）一（yī）體係可以同時吸收紫外（wài）光和可見光，利用太陽光能產生激子，光生激子迅速分離形（xíng）成高能電子和空穴並分別（bié）遷移到（dào）中間的碳氮（dàn）材料和外層的石墨烯材（cái）料上。而吸附在石墨烯基材料活性位（wèi）點上的水分（fèn）子在光生空穴（xué）的幫助下，發生裂解，產生質子。這些產生的質子（zǐ）受碳氮材料上內建靜電場（chǎng）（如圖偶極矩所示）驅動，可穿透石墨烯材料，運（yùn）動到內部的二維碳氮材料上，並且遇到電子後反應（yīng）產生氫氣。由於石墨烯唯一放行的僅僅是氫原子（質子），而光解水產生的氫（qīng）氣不能穿透石墨烯材（cái）料，導致光解（jiě）水產生的氫氣（qì）分子將被安全地保（bǎo）留在三（sān）明治複合體係內（nèi）；同時O₂，OH等體係也無法進入複合體係，抑製了逆反應的發生，實現了高（gāo）儲氫（qīng）率下的安（ān）全儲氫。

　　這一研究體係以較低的成本，巧妙地抑製了光（guāng）解水製氫的（de）逆反應（yīng）發生，實現了氫氣的有效提純，是（shì）首個安全製氫與儲氫一體化的設計。文中所（suǒ）報道的三明治複合體係將不僅僅局限於石墨烯和碳（tàn）氮材料，其他經官能團修飾的sp2雜（zá）化（huà）碳（tàn）材料（如富勒烯、碳納米管等）和光催化劑也可以用於這一（yī）複合體（tǐ）係中。這（zhè）將為實（shí）現太陽能裂解水轉換為氫能，以及氫能的（de）大規模應用解決最困難的氫氣（qì）分離和安（ān）全存儲運（yùn）輸兩（liǎng）個瓶頸問題，為再次啟動“氫能經濟時（shí）代”打開了大門。

　　相關工（gōng）作得到了科技（jì）部青年“973”項目、國家自然科學基金、中科院先導項目的資助，該論文第一作者為化（huà）學學院博士生楊麗，李喜玉和張國（guó）楨為並列第一作者，江俊為（wéi）通訊作者。