中国和以色列合作开发太阳能制氢新技术

中国和以色列研究人员开发出一种利用太阳光分解水制氢的新技术，具体原理是利用新型C3N4光催化剂将水分解成氢气和过氧化氢，产生的过氧化氢经催化作用再分解水和氧气。研究人员认为，相比以往的太阳能制氢方法，该技术具有更高的转换效率且成本更低，是目前最可行的光解技术之一，而且该技术的提升空间显著。

长期以来，太阳能制氢都具有很大的挑战性。人们最熟知的过程是光电解法：太阳电池捕获光子的能量，能量累积形成电势差，利用产生的电势差电解水获得氢气。理论上，电解水所需的最低能量为1.23 伏，但事实上由于直接分解水的反应是一个复杂的四电子过程，大约需要2 伏的电压才产生明显的反应速率。根据目前的技术水平，达到这一电压值需要3～4 个太阳电池，成本费用居高不下。

除此之外，一个更简单的方法是光催化制氢。在这一过程中，粉末状的吸光催化剂悬浮在水中，通过吸收光子的能量催化水分解过程。原则上，该方法成本更低且更易实现工业化生产。然而，这一方法存在诸多致命的弊端，例如，许多光催化剂的催化效率不足0.1%，需要昂贵的稀有金属材料，以及由副反应产生过氧化氢会使催化剂中毒而迅速失去活性。迄今为止，性能最好的光解水催化剂是纳米晶氧化钴，其转化效率约为5%，但其最大的缺点是在仅仅1 小时内便会失活。虽然C3N4光催化剂的太阳能到氢气的转换效率只有2%，但其寿命和稳定性具有突出优点，经过200 天后测试其活性仍然没有明显衰退。

通常，太阳能制氢过程中产生的过氧化氢会使催化剂中毒。研究人员有效地解决了这一问题，成功合成出一种含有C3N4和巴克球的复合催化剂。C3N4光催化剂可以将水分解成氢气和过氧化氢，巴克球却能够催化过氧化氢分解成水和氧气，从而避免了过氧化氢吸附在C3N4催化剂表面致其中毒，而且巴克球的存在也可以促进催化剂吸收更多的太阳光。

据研究人员计算，C3N4光催化剂的转换效率如果能提高到5%，那么制氢成本将降低到2.3 美元/ 公斤——该数值远低于美国能源部4 美元/公斤的预期目标。即使在现阶段，利用该催化剂的制氢成本也只有4 美元/公斤。因此，该太阳能制氢技术有望获得大规模应用。另外，由于过氧化氢本身是一种有价值的工业漂白剂和消毒剂，如果可以将产生的过氧化氢加以收集利用，该技术的制氢成本将进一步下降。