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大家好，我是中国科学院金属研究所刘岗团队的研究人员康宇阳。氢是元素周期表中的第一个元素，也是宇宙中数量最多的元素。氢气与氧气反应生成水并释放大量的能量，是最理想的化学能源。  早在150年前，科幻大师凡尔纳就预言：水将成为终极燃料。科学家们一直努力发展能将这个预言变为现实的各种可能技术。其中通过阳光直接分解水获取氢气，这项被称为“光催化分解水”的技术属于前沿颠覆性低碳技术，有望改变我们的能源未来。 自1972年科学家利用二氧化钛单晶材料实现了光解水以来，二氧化钛一直是半导体光催化材料里的“超级明星”。受到阳光照射时， 它就像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，就会激发出携带能量的电子-空穴对，用于分解水。 但传统二氧化钛有个致命障碍：高温制备时氧原子容易'离家出走'，形成氧空位和三价钛离子缺陷，成为捕获光生电子、空穴的'陷阱'。当电子和空穴在布满陷阱的材料中运动时，就像赛车在弯曲且凹凸不平的道路上行驶，不仅会迷失方向且易翻车，导致绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会在陷阱处复合湮灭。 加上稀土元素“钪”后奇迹出现  中国科学院金属研究所刘岗团队研究发现，解决问题的关键在于'元素替代'和'结构整容'。研究团队选择了元素周期表中钛的邻居——钪（Sc）作为改造工程师。钪的用途广泛，有工业维生素的美称，这个稀土元素有三大绝技：一是，钪离子半径与钛相近，能完美嵌入晶格而不造成结构变形；二是，钪的稳定价态为正三价恰好能替代三价钛离子并中和氧空位；三是，钪原子在表面能重构晶体原子排布，像建筑大师般雕琢出特定的晶面结构。从而能够指引光生电子和空穴这辆赛车顺利跑出体相。 通过引入5%的钪原子，研究团队成功制备出表面由{101}和{110}两类晶面组成的二氧化钛颗粒。两个晶面之间形成了强度堪比太阳能电池的电场，这两个晶面就像精心设计的“电荷高速公路”：一个晶面专门收集电子，另一个则负责接收空穴。因此光生电荷分离效率提升200余倍，促进表面水分解反应快速进行。 改造后的半导体光催化材料展现出惊人的性能飞跃：对波长360纳米紫外光的量子利用率突破30%大关。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。如果将其制作成1平方米的光催化板，一天光照时间产生的绿色氢气约为10升。相关成果发表在《美国化学会会刊》。 同样意义重大的是，二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，中国产能占全球50%以上，且我国钪稀土储量位居世界前列，因此我国对于二氧化钛及其后续光催化材料的发展具有得天独厚的产业优势。我们团队下一阶段的目标是要把可见光下的分解水效率进一步提升，从而达到可以工业化应用的水平。 畅享未来，覆盖着这种光催化材料的太阳能板可以直接从空气中收集水蒸气，在阳光下源源不断产生氢气。从凡尔纳的幻想，到实验室的突破，水变氢能的梦想正在照进现实。这项“中国智造”的绿色科技，将有望打开零碳未来的大门。
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