《科学大众》
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晒晒太阳，水变氢（2）
2012-03-23 15:35:25文/李和昌
转化率，不理想
要想从水中分离出氢气，需要耗费大量的能源。要使水在可见光的照射下能够彻底分解，必须在水里加入半导体光催化剂，加快水的分解，提高氢气的产率。光催化作用属于光化学反应，其作用机理是借助光的作用改变化学反应的途径，或使原有的反应速率加快。在反应过程中，除了光的作用外，还需要光催化剂的参与。光催化剂通常为固体半导体，能够在光的激发下加速反应的进行，而其本身不会发生性质上的改变。
同时，科学家也从未停止对于其他光催化剂的探索，继二氧化钛之后，又陆续开发出氮化物系列、硫化物系列等光催化材料。然而，到目前为止，较低的光催化效率仍是制约该制氢技术应用和发展的瓶颈，且没有一种催化剂的活性能够满足商业化和工业化的要求，何时能进入应用更是难以预测。人们不禁要问，找一种性能优良的光催化剂就这么难吗?
虽然人们有能力从化学角度准确判断物质的属性，但具体到实际操作过程中，材料的性质就会变得难以捉摸，同一种物质经过不同的处理方法会发生各种意想不到的变化。比如有的材料性能不稳定，反应还没开始本身就先被消耗掉了；有的材料虽然满足分解水的要求，却没有分解水制氢的反应活性。当然，寻找材料的过程也不是全无规律可循。可以通过观察材料的颜色变化判断该材料能否吸收可见光，比如白色的材料就肯定不能用作可见光催化剂，因为白色意味着该材料对可见光根本不能吸收。但最终还是需要通过大量的研究实验，孜孜不倦地尝试。
另外，助催化剂在光催化分解水制氢反应体系中，同样起着非常重要的作用。通常，光催化剂自身只有较低的分解水制氢的活性，而近年来人们发现对光催化剂进行一些金属物质的复合负载，光催化剂就能表现出较高的制氢活性。例如一些重金属元素如钯、钌、铑等，以及部分金属的氧化物，如氧化镍、二氧化钌、三氧化二铬等，都可以作为常规的助催化剂。最近，研究人员利用化学还原方法，把三氧化二铬与钯的复合助催化剂，成功负载在硫化镉表面，将光催化分解水制氢的效率大幅提高到56％。研究发现，在水中如果添加了亚硫酸盐或其他易被氧化的材料，光照产生氢气的速度又将进一步提高。从最早在紫外光下制氢效率不到1％，到现在的56％，不可不说是一个振奋人心的跨越。
新合金，最期待
不久前，美国科学家研制出了一种新的氮化镓锑合金，其能更方便地利用太阳光将水分解为氢气和氧气，这种新的水解制氢方法，不仅成本低廉，且不会排放出二氧化碳。科学家们在美国能源部的资助下，借用最先进的理论计算证明，在氮化镓化合物中，2%的氮化镓由锑替代，这样结合而成的新合金将拥有适宜的电学特性。当其浸入水中并暴露于阳光下时，会通过光电化学反应，借用太阳能将水分子中的氢原子和氧原子之间的化学键分开，将水分解为氢气和氧气。
氮化镓是一种半导体，自上世纪90年代以来，其已被广泛应用于制造发光二极管。锑最近几年也越来越多地被用于微电子设备内。而这种氮化镓锑合金是首个简单且容易制造的可通过光电反应水解制氢的材料。而且，在光电化学反应中，这种合金是催化剂，这意味着它并不会被消耗，因此可被不断地回收利用。科学家们已经制造出了这种合金，并正在测试其将水解制氢的效率。领导该研究的美国肯塔基大学计算机科学中心的马杜麦农表示：“以前，科学家们利用光电反应水解制氢使用的都是复杂材料。但我们决定另辟蹊径，尝试利用易制造的材料来完成这个任务，并希望将这些材料内的电子排列进行微调，以获得令人满意的结果。”
现在，距离藤岛昭和本多健一第一次成功实现光解水制成氢气已经整整40年，虽然光催化分解水制氢的研究依旧处在实验室中，但人们始终对其抱着极大热情。希望科学家们能酝酿出更大的突破，使氢能的推广应用早日成为可能。
——文《科学大众》（中学版）
