首個光解水製氫儲氫一體化體係設計：再啟“氫能經濟時代”

據中國科大新聞網報道：近(jin)日(ri)
，合(he)肥(fei)微(wei)尺(chi)度(du)物(wu)質(zhi)科(ke)學(xue)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)羅(luo)毅(yi)教(jiao)授(shou)領(ling)導(dao)的(de)研(yan)究(jiu)小(xiao)組(zu)成(cheng)員(yuan)江(jiang)俊(jun)教(jiao)授(shou)，與(yu)微(wei)尺(chi)度(du)物(wu)質(zhi)科(ke)學(xue)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)趙(zhao)瑾(jin)教(jiao)授(shou)合(he)作(zuo)，利(li)用(yong)第(di)一(yi)性(xing)原(yuan)理(li)計(ji)算(suan)
，提(ti)出(chu)了(le)首(shou)個(ge)光(guang)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)儲(chu)氫(qing)一(yi)體(ti)化(hua)的(de)材(cai)料(liao)體(ti)係(xi)設(she)計(ji)，該(gai)方(fang)案(an)具(ju)有(you)低(di)成(cheng)本(ben)
、通用性、安全儲氫的優點。相關成果以“Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures”為題發表在《自然•通訊》(Nature Communications)上。

氫能經濟（Hydrogen economic）是20世紀70年代提出的一個最“完美”的可持續能源方案

，以氫為媒介（製備、儲存、運輸和轉化）的(de)一(yi)種(zhong)未(wei)來(lai)的(de)經(jing)濟(ji)結(jie)構(gou)設(she)想(xiang)。以(yi)用(yong)之(zhi)不(bu)竭(jie)的(de)太(tai)陽(yang)光(guang)驅(qu)動(dong)，把(ba)水(shui)分(fen)解(jie)為(wei)氫(qing)氣(qi)和(he)氧(yang)氣(qi)。而(er)氫(qing)是(shi)一(yi)種(zhong)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)，燃(ran)燒(shao)生(sheng)成(cheng)水(shui)，不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)任(ren)何(he)汙(wu)染(ran)物(wu)

，達(da)到(dao)環(huan)保(bao)可(ke)再(zai)生(sheng)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)的(de)目(mu)標(biao)。

然而，長久以來光解水製氫的發展停滯不前，“氫能經濟時代”的(de)大(da)門(men)似(si)乎(hu)已(yi)經(jing)關(guan)閉(bi)。其(qi)原(yuan)因(yin)是(shi)氫(qing)氣(qi)的(de)收(shou)集(ji)和(he)存(cun)儲(chu)上(shang)的(de)技(ji)術(shu)瓶(ping)頸(jing)抑(yi)製(zhi)了(le)光(guang)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)。氫(qing)氣(qi)的(de)產(chan)生(sheng)依(yi)賴(lai)於(yu)光(guang)生(sheng)電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)分(fen)別(bie)遷(qian)移(yi)到(dao)氧(yang)化(hua)和(he)還(hai)原(yuan)位(wei)點(dian)，使(shi)得(de)二(er)者(zhe)間(jian)距(ju)必(bi)須(xu)小(xiao)於(yu)電(dian)子(zi)的(de)平(ping)均(jun)自(zi)由(you)程(cheng)（約為10~50 nm）。如(ru)此(ci)短(duan)的(de)間(jian)距(ju)不(bu)僅(jin)導(dao)致(zhi)逆(ni)反(fan)應(ying)的(de)發(fa)生(sheng)無(wu)法(fa)避(bi)免(mian)，也(ye)增(zeng)加(jia)了(le)分(fen)離(li)和(he)收(shou)集(ji)氫(qing)氣(qi)的(de)困(kun)難(nan)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，氫(qing)氣(qi)的(de)安(an)全(quan)存(cun)儲(chu)是(shi)一(yi)項(xiang)長(chang)期(qi)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。氫(qing)氣(qi)（H₂）與氧氣（O₂）hunhejiyifashengfanying
，chanshengbaozha，shifenweixian。erchangyongdegaoyayehuahoujinshuchuqingchengbengao
，shiyongbubian。yinci，zaikaifachudichengbenshoujiqingqiheanquanchuqingdejiejuefanganzhiqian，taiyangnengguangjieshuizhiqingwufadeyiyouxiaodedaguimoyingyong。

針對光解水製氫過程中的逆反應嚴重、氫氣難分離和存儲的問題
，研究人員從英國科學家安德烈·海姆爵士（諾貝爾獎獲得者）和中國科學技術大學吳恒安教授的研究工作得到啟發：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體
，缺對質子能夠“網開一麵”，大方放行。利用這一大自然給質子開的“方便之門”，江俊等設計了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料複合的三明治結構。

江jiang俊jun課ke題ti組zu長chang期qi深shen耕geng於yu光guang催cui化hua體ti係xi設she計ji與yu模mo擬ni領ling域yu，聚ju焦jiao於yu電dian子zi運yun動dong這zhe一yi關guan鍵jian主zhu線xian，通tong過guo結jie構gou設she計ji精jing準zhun調tiao控kong材cai料liao體ti係xi中zhong的de電dian子zi被bei激ji發fa後hou演yan化hua行xing為wei（J. Phys. Chem. Lett. 2016,7,1750； J. Am. Chem. Soc. 2016,128,8928; Angew Chem. Int. Ed. 2016, 55, 6396; Angew Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11495），提(ti)出(chu)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)在(zai)實(shi)驗(yan)中(zhong)證(zheng)明(ming)行(xing)之(zhi)有(you)效(xiao)的(de)光(guang)催(cui)化(hua)體(ti)係(xi)設(she)計(ji)。而(er)在(zai)這(zhe)次(ci)的(de)三(san)明(ming)治(zhi)結(jie)構(gou)體(ti)係(xi)中(zhong)，碳(tan)氮(dan)材(cai)料(liao)夾(jia)在(zai)兩(liang)層(ceng)官(guan)能(neng)團(tuan)修(xiu)飾(shi)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)中(zhong)。第(di)一(yi)性(xing)原(yuan)理(li)計(ji)算(suan)表(biao)明(ming)，這(zhe)一(yi)體(ti)係(xi)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)吸(xi)收(shou)紫(zi)外(wai)光(guang)和(he)可(ke)見(jian)光(guang)
，利(li)用(yong)太(tai)陽(yang)光(guang)能(neng)產(chan)生(sheng)激(ji)子(zi)，光(guang)生(sheng)激(ji)子(zi)迅(xun)速(su)分(fen)離(li)形(xing)成(cheng)高(gao)能(neng)電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)並(bing)分(fen)別(bie)遷(qian)移(yi)中(zhong)間(jian)的(de)碳(tan)氮(dan)材(cai)料(liao)和(he)外(wai)層(ceng)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)材(cai)料(liao)上(shang)。而(er)吸(xi)附(fu)在(zai)石(shi)墨(mo)烯(xi)基(ji)材(cai)料(liao)活(huo)性(xing)位(wei)點(dian)上(shang)的(de)水(shui)分(fen)子(zi)在(zai)光(guang)生(sheng)空(kong)穴(xue)的(de)幫(bang)助(zhu)下(xia)，發(fa)生(sheng)裂(lie)解(jie)，產(chan)生(sheng)質(zhi)子(zi)。這(zhe)些(xie)產(chan)生(sheng)的(de)質(zhi)子(zi)受(shou)碳(tan)氮(dan)材(cai)料(liao)上(shang)內(nei)建(jian)靜(jing)電(dian)場(chang)（如圖偶極矩所示）驅動
，可穿透石墨烯材料，運動到內部的二維碳氮材料上，並且遇到電子後反應產生氫氣。由於石墨烯唯一放行的僅僅是氫原子（質子），而光解水產生的氫氣不能穿透石墨烯材料
，導致光解水產生的氫氣分子將被安全地保留在三明治複合體係內
；同時O2，OH等體係也無法進入複合體係，抑製了逆反應的發生，實現了高儲氫率下的安全儲氫。

這(zhe)一(yi)研(yan)究(jiu)體(ti)係(xi)以(yi)較(jiao)低(di)的(de)成(cheng)本(ben)，巧(qiao)妙(miao)地(di)抑(yi)製(zhi)了(le)光(guang)解(jie)水(shui)製(zhi)氫(qing)的(de)逆(ni)反(fan)應(ying)發(fa)生(sheng)
，實(shi)現(xian)了(le)氫(qing)氣(qi)的(de)有(you)效(xiao)提(ti)純(chun)，是(shi)首(shou)個(ge)安(an)全(quan)製(zhi)氫(qing)與(yu)儲(chu)氫(qing)一(yi)體(ti)化(hua)的(de)設(she)計(ji)。文(wen)中(zhong)所(suo)報(bao)道(dao)的(de)三(san)明(ming)治(zhi)複(fu)合(he)體(ti)係(xi)將(jiang)不(bu)僅(jin)僅(jin)局(ju)限(xian)於(yu)石(shi)墨(mo)烯(xi)和(he)碳(tan)氮(dan)材(cai)料(liao)，其(qi)他(ta)經(jing)官(guan)能(neng)團(tuan)修(xiu)飾(shi)的(de)sp2雜化碳材料（如富勒烯，碳納米管等）heguangcuihuajiyekeyiyongyuzheyifuhetixizhong。zhejiangweishixiantaiyangnengliejieshuizhuanhuanweiqingneng，yijiqingnengdedaguimoyingyongjiejuezuikunnandeqingqifenliheanquancunchuyunshulianggepingjingwenti，weizaiciqidong“氫能經濟時代”打開了大門。

相關工作得到了科技部青年973項目
、國家自然科學基金、中國科學院先導項目的資助
，該論文第一作者為化學學院博士生楊麗，李喜玉和張國楨博士為並列一作，江俊為通訊作者。

論文鏈接：http://Combining photocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene based sandwich structures (Nature Communications, 2017, 8:16049, DOI: 10.1038/ncomms16049)