通過這么多的積累,太陽能制氫有望在不遠(yuǎn)的將來取得突破并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
太陽能光催化反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)分解水產(chǎn)生氫氣、還原二氧化碳產(chǎn)生太陽燃料,是科學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的課題,受到全世界關(guān)注。雖然在過去半個(gè)世紀(jì)的光催化研究中,人們已經(jīng)在光催化劑制備和光催化反應(yīng)研究方面做出了巨大的努力,但由于光催化反應(yīng)中光生電荷的分離、轉(zhuǎn)移和參與化學(xué)反應(yīng)的時(shí)空復(fù)雜性,人們對(duì)該過程的基本機(jī)制一直不清楚。
日前,這個(gè)謎團(tuán)被中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(大連化物所)李燦院士、范峰滔研究員等揭開了。研究人員對(duì)光催化劑納米顆粒的光生電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)行全時(shí)空探測(cè),“拍攝”到光生電荷轉(zhuǎn)移演化全時(shí)空影像。相關(guān)研究成果已于10月12日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
研究成果文章的部分作者在實(shí)驗(yàn)室合影,從左到右依次為范峰滔、李燦和陳若天。中科院大連化物所供圖
歷時(shí)二十多年,中國科學(xué)家攻破“光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)”
綠氫是實(shí)現(xiàn)工業(yè)和交通領(lǐng)域碳中和的主要路徑。綠氫從水中來,需要太陽能等可再生資源。
據(jù)中科院院士李燦介紹,過去幾十年,光電解水效率大幅度提升,但整體水平仍然較低。“上世紀(jì)70年代,太陽能制氫效率極低,2000年后進(jìn)展比較快,效率從0.5%發(fā)展到當(dāng)前的1.5%左右?!?/p>
目前,光催化分解水研究大多集中在篩選光催化材料和優(yōu)化器件工藝上,光生電荷動(dòng)力學(xué)等研究相對(duì)薄弱,重大科學(xué)問題尚未解決。“太陽能光催化劑要提高效率,需要優(yōu)化三個(gè)方面的效率,包括捕光、電荷分離和催化轉(zhuǎn)化。其中,電荷分離是最關(guān)鍵、最微觀的一步,所以我們優(yōu)先研究了這個(gè)問題?!?/p>
他說,光催化分解水的核心科學(xué)挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高效的光生電荷的分離和傳輸。由于這一過程跨越從飛秒到秒、從原子到微米的巨大時(shí)空尺度,揭開全過程的微觀機(jī)制極具挑戰(zhàn)性。“20多年來,我們的團(tuán)隊(duì)前赴后繼,一直致力于解決這一問題?!?/p>
就醫(yī)經(jīng)歷為成像研究帶來啟發(fā)
范峰滔說,為了開展這項(xiàng)研究,他博士畢業(yè)后的研究方向從原來的分子篩合成光譜表征轉(zhuǎn)為光催化成像。最初他比較迷茫,李燦院士在2010年的一次就醫(yī)經(jīng)歷給他帶來了啟發(fā)。“當(dāng)時(shí)基于血管成像介入手術(shù)的啟發(fā),李老師(李燦)在病床上打電話和我交流,認(rèn)為光譜成像方向值得考慮,由此為我指明了方向?!?/p>
范峰滔研究員在調(diào)試表面光電壓成像儀器。中科院大連化物所供圖
經(jīng)過摸索,范峰滔計(jì)劃以原子力顯微鏡、光學(xué)和半導(dǎo)體晶面性質(zhì)為基礎(chǔ)開展工作。由于缺少合適的儀器設(shè)備,團(tuán)隊(duì)開始親自設(shè)計(jì)、自主研發(fā)。2012年,范峰滔找了一間不到20平方米的房間,和同學(xué)們一起搭建設(shè)備儀器,并逐步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和方法。
據(jù)李燦介紹,科研人員通過集成結(jié)合多種先進(jìn)的表征技術(shù)和理論模擬,包括時(shí)間分辨光發(fā)射顯微鏡(飛秒到納秒)、瞬態(tài)表面光電壓光譜(納秒到微秒)和表面光電壓顯微鏡(微秒到秒)等,像接力賽一樣,首次在一個(gè)光催化劑顆粒中跟蹤電子和空穴到表面反應(yīng)中心的整個(gè)機(jī)制?!斑@為理性設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的光催化劑提供了新的思路和研究方法?!?/p>
未來,這個(gè)成果有望促進(jìn)太陽能光催化分解水制取太陽燃料的應(yīng)用,為人類生產(chǎn)和生活提供清潔、綠色的能源。
李燦說,按照經(jīng)濟(jì)上的評(píng)估,太陽能制氫效率達(dá)到5%就可以進(jìn)行工業(yè)化中試,效率如果達(dá)到10%,就和最便宜的化石資源制氫成本相近?!巴ㄟ^這么多的積累,太陽能制氫有望在不遠(yuǎn)的將來取得突破并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化?!?/p>
數(shù)據(jù)顯示,2024年9月,我國7米以上大中型新能源客車共銷售4584輛,環(huán)比(3010輛)增長52.29%,同比(3493輛)增長31.93%;1-9月,累計(jì)銷售23695輛,同比(22688輛)增長4.44%,較1-8月累計(jì)(下降0.44%)增長近5個(gè)百分點(diǎn),累計(jì)增幅由負(fù)轉(zhuǎn)正。9月份我國新能源客車市場(chǎng)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。 9月:遠(yuǎn)程/中車進(jìn)三甲 歐輝/金龍/中通晉級(jí) 七家企業(yè)銷量“雙增” 由上表可見,在7米以上新能源客車銷量排名上,今年9月,宇通客車(600066.SH)銷量為1102輛,拿下新能源客車市場(chǎng)銷冠,并成為唯一一家單月銷量破千的品牌;排名躍升第二的遠(yuǎn)程商用車,銷量為615輛,并于7月后再一次進(jìn)入銷量前十;排名第三的中車電動(dòng),銷量為599輛,較上月排名上升兩位。其余企業(yè)中,福田(600166.SH)歐輝、廈門金龍和中通客車(000957.SZ)排名較上月分別提升一位。 在7米以上新能源客車銷量表現(xiàn)上,今年9月,前十企業(yè)中有7家企業(yè)實(shí)現(xiàn)了環(huán)比與同比“雙增”,即宇通客車、遠(yuǎn)程商用車、中車電動(dòng)、上海申沃、福田歐輝、廈門金龍和中通客車。其中,中車電動(dòng)銷量同比增長470.48%,領(lǐng)漲行業(yè);福田歐輝和廈門金龍也實(shí)現(xiàn)銷量同比翻倍增長;宇通客車銷量同比增長也接近8成。而遠(yuǎn)程商用車、中車電動(dòng)、福田歐輝、廈門金龍和中通客車等企業(yè)實(shí)現(xiàn)...