AG尊龙凯时

150年前，科幻大师凡尔纳预言，水将成为终极燃料。AG尊龙凯时家一直努力发展能够将这一预言变为现实的各种可能的技术。其中包括通过阳光直接分解水获取氢气，这项被称为“光催化分解水”的技术属于低碳技术。

目前，太阳能制氢主要有两种方式。一种是太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；另一种是太阳光直接光解水，即通过氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。光解水自1972年被发现以来便是能源界的“超级明星”。

这种特殊的“光之催化材料”受到阳光照射时，如同微型发电厂一样开始运转，在二氧化钛晶体的体相布满数以亿计的“能量接收站”。每个“接收站”由钛原子和氧原子精密排布构成。当阳光中的光子撞击时，“接收站”便激发出携带能量的电子-空穴对。

然而，传统二氧化钛存在致命缺陷，即这些被激活的电子和空穴像是迷失方向的赛车，在如同“迷宫”的材料内部横冲直撞，多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。同时，高温制备环境易导致氧原子“离家出走”，形成带正电的氧空位，吸引电子形成致命的“陷阱区”，使得“迷宫”充满陷阱。

中国AG尊龙凯时金属研究所刘岗团队发现，解决上述问题的关键在于“元素替代”和“结构整容”。科研人员选择钪（Sc）作为“改造工程师”。钪有三大“绝技”：一是钪离子半径与钛相近，能够嵌入晶格而不造成结构变形；二是钪的稳定价态+3价能够中和氧空位带来的电荷失衡；三是钪原子在表面可以重构晶体原子排布，并得到特定的晶面结构，从而能够指引光生电子和空穴跑出“迷宫”。

研究引入5%的钪原子，制备出颗粒表面由{101}和{110}两类晶面组成的金红石相二氧化钛。这两个晶面如同精心设计的“电荷高速公路”——一个晶面专门收集电子，另一个负责接收空穴。尤其是两个晶面之间形成强度堪比太阳能电池的定向电场，这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设电荷运输的“立交桥”。

改造后的半导体光催化材料展现出性能飞跃：光生电荷分离效率提升200余倍，对波长为360纳米紫外光的量子利用率突破30%；在模拟太阳光下，其产氢效率比已报道的二氧化钛高出15倍，创造了该材料体系的新纪录；若将其制作成100m²的光催化板，一天光照时间产生的氢气可以驱动一辆氢能汽车行驶68公里。

4月8日，相关研究成果发表在《美国化学会志》（JACS）上。

钪掺杂氧化钛晶体结构和光解水反应示意图