光催化水分解制氫是一種將太陽能高效轉化為化學能的關鍵技術，同時也是減少化石能源依賴、緩解環境污染的重要途徑。

近日，中國科學院金屬研究所劉崗團隊創造性地在二氧化鈦材料中引入稀土元素鈧，通過其獨特“絕技”，成功設計出具有定向光生電荷傳輸通道的催化材料，大幅提升了光催化水分解制氫效率。

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光催化分解水

目前太陽能制氫主要有兩種方式：一種方式是太陽能電池發電再電解水，效率高但設備復雜且昂貴；另一種是太陽光直接光解水，通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。

二氧化鈦被稱為“光催化材料”，材料晶體的體相布滿數以億計的鈦原子和氧原子，受到陽光照射時，光子撞擊激發出攜帶能量的電子—空穴對，用于分解水制取氫氣。

但二氧化鈦本質上有個嚴重的障礙：這些被激活的電子和空穴就像迷失方向的賽車，在如同迷宮的材料內部橫沖直撞，絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒內就會復合湮滅。

同時，高溫制備環境容易導致氧原子“離家出走”，形成會導致電子和空穴復合的原子級缺陷，如同讓“迷宮”充滿陷阱，大幅降低光催化分解水效率。

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鈧摻雜改造

中國科學院金屬研究所團隊研究發現，解決問題的關鍵在于“元素替代”及“結構整容”。

科研人員選擇了元素周期表中鈦的鄰居——稀土元素鈧（Sc），作為改造工程師。

鈧有三大絕技：一是，鈧離子半徑與鈦相近，能完美嵌入晶格而不造成結構變形；二是，鈧的穩定價態+3價恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡；三是，鈧原子在表面能重構晶體原子排布，得到特定的晶面結構，從而能夠指引光生電子和空穴順利跑出“迷宮”。

通過引入5%的鈧原子，研究團隊成功制備出顆粒表面由｛101｝和｛110｝兩類晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這兩個晶面就像精心設計的“電荷高速公路”：一個晶面專門收集電子，另一個則負責接收空穴。

并且，兩個晶面之間形成了強度堪比太陽能電池的電場（約1kV/cm），這相當于在數百納米大小的二氧化鈦顆粒中架設了光生電荷運輸的“立交橋”。

▲鈧摻雜氧化鈦晶體結構和光解水反應示意圖

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助力能源結構轉型升級

經過測試，改造后的半導體光催化材料展現出驚人的性能提升：光生電荷分離效率提升200余倍，對波長為360nm紫外光的量子利用率突破30%關口。在模擬太陽光下，其產氫效率比二氧化鈦材料高出15倍，創造了該材料體系的新紀錄。

二氧化鈦作為一種工業用途廣泛的無機材料，我國已形成完整的產業鏈。同時我國稀土鈧的儲量位居世界前列。

未來，光催化分解水效率進一步突破后將有望實現產業應用，助力能源結構轉型升級。

來源：中國科學院金屬研究所

責任編輯：曹旸