构建生产绿色能源的“氢农场”(2)

“这种做法还是不多见的。”孙立成对《中国科学报》说，其可以利用单晶的不同暴露晶面把电子和空穴在空间上分开，高效地把水氧化放出氧气，还可以同时解决储能介质（氧化还原对）之间的还原反应，再用电解的方式把氢气释放出来。这种策略的好处是，氧气和氢气完全分开，解决了光催化分解水体系中氧气和氢气混合在一起的技术难题。

从成本来讲，所用的光催化剂是由一些非贵重金属元素组成，是相对廉价的材料。并且大面积储存太阳能的过程不需要收集气体，反应器也不需要密封。反应器的制造加工成本也低，这为未来实现工业化生产提供了很大的可能性。

从可规模化展示上，孙立成觉得，工作中的“反应池”已经有了平方米级的“尺寸”，并且通过太阳光下的试验，证明“氢农场”这一思路确实可行，未来还可以放大并进一步优化，有希望实现规模化生产。

创建大规模工业应用之路

“氢农场”体系的太阳能到氢能转化效率超过1.8%，是目前国际上报道的基于粉末纳米颗粒光催化分解水体系太阳能制氢效率的最高值（此前最高纪录是1.1%）。

美国能源部对化石资源制氢和太阳能分解水制氢成本做过一个粗略估算，若利用纳米颗粒光催化剂的太阳能制氢效率达到10%、催化剂稳定工作时间超过3000小时，太阳能制氢的成本便与廉价化石资源（例如煤或天然气）制氢的成本相当，具有与传统化石资源制氢竞争的成本，可进行大规模工业应用。

针对此，大连化学物理研究所研究员李仁贵认为，太阳能分解水制氢技术目前还存在效率较低、制氢成本高等问题，不考虑环境和生态成本，太阳能分解水制氢的成本还高于化石资源制氢，尤其是基于粉末纳米颗粒体系的光催化分解水制氢。

“该技术虽然工艺简单、易操作、投资成本低，但是由于其太阳能制氢效率还不够高，距离规模化工业应用还有一定距离。”李仁贵说。

他表示，目前，“氢农场”制氢效率超过1.8%，还有很大的提升空间，如果在光催化剂对太阳光的吸收范围从目前钒酸铋材料的520纳米进一步拓展至600纳米以上,甚至700纳米,储能介质的化学电位进一步降低的话，整个体系的太阳能制氢效率达到10%还是有希望的，这项研究验证了这种可行性，也为该领域同行展示了努力的方向。

孙立成则表示，通过“氢农场”的思路，氢气、氧气可以分离，太阳能制氢效率也可以提高。太阳能制氢效率将来如果能超过6%的话，就有希望大规模生产了，最理想的状态是10%以上，基于目前的成果，大家有信心继续努力把这个体系做的更好。

  相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202001438

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