中国科大设计出首个光解水制氢储氢一体化系统

中国科学技术大学教授罗毅、江俊与赵瑾等合作，利用第一性原理计算，设计出首个光解水制氢储氢一体化的材料体系，该体系具有低成本、通用性、安全储氢的优点，有助于实现太阳能光解水制氢的大规模应用。该成果最近发表在《自然—通讯》杂志上。

长期以来光解水制氢技术的发展停滞不前，主要原因是光解水制氢过程中逆反应严重，氢气难以分离和收集、难以安全存储、存储成本高等。

科研人员利用石墨烯隔绝气体和液体，却能让质子通过的特性，设计了二维碳氮材料与石墨烯材料复合的三明治结构，将碳氮材料夹在两层石墨烯中。该材料可吸收紫外光和可见光，利用光能产生激子，光生激子分离形成正负电荷并分别分布于外层石墨烯和碳氮“夹心”层。石墨烯表面的水分子在正电荷的帮助下发生分解，产生质子。这些质子可穿透石墨烯材料，运动到内部的二维碳氮材料上，并且遇到电子后反应产生氢气。该体系抑制了氧与氢重新变为水的逆反应发生，实现了高储氢率下的安全储氢。

江俊介绍说，这一复合材料体系以较低的成本，巧妙地抑制了光解水制氢的逆反应，实现了氢气的有效提纯。不仅仅局限于石墨烯和碳氮材料，其他如富勒烯、碳纳米管等和光催化剂也可以用于这一复合体系中。这为实现太阳能裂解水转换为氢能创造了可能，并进而有助于氢能的大规模应用。