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）混hun合he極ji易yi發fa生sheng反fan應ying，產chan生sheng爆bao炸zha，十shi分fen危wei險xian。而er常chang用yong的de高gao壓ya液ye化hua後hou金jin屬shu儲chu氫qing成cheng本ben高gao，使shi用yong不bu便bian。因yin此ci
，在zai開kai發fa出chu低di成cheng本ben收shou集ji氫qing氣qi和he安an全quan儲chu氫qing的de解jie決jue方fang案an之zhi前qian，太tai陽yang能neng光guang解jie水shui製zhi氫qing無wu法fa得de以yi有you效xiao的de大da規gui模mo應ying用yong。

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。

jiangjunketizuchangqishengengyuguangcuihuatixishejiyumonilingyu，jujiaoyudianziyundongzheyiguanjianzhuxian，tongguojiegoushejijingzhuntiaokongcailiaotixizhongdedianzibeijifahouyanhuaxingwei（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。

zheyiyanjiutixiyijiaodidechengben，qiaomiaodiyizhileguangjieshuizhiqingdenifanyingfasheng，shixianleqingqideyouxiaotichun
，shishougeanquanzhiqingyuchuqingyitihuadesheji。wenzhongsuobaodaodesanmingzhifuhetixijiangbujinjinjuxianyushimoxihetandancailiao，qitajingguannengtuanxiushidesp2雜化碳材料（如富勒烯，碳納米管等）和(he)光(guang)催(cui)化(hua)劑(ji)也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)這(zhe)一(yi)複(fu)合(he)體(ti)係(xi)中(zhong)。這(zhe)將(jiang)為(wei)實(shi)現(xian)太(tai)陽(yang)能(neng)裂(lie)解(jie)水(shui)轉(zhuan)換(huan)為(wei)氫(qing)能(neng)，以(yi)及(ji)氫(qing)能(neng)的(de)大(da)規(gui)模(mo)應(ying)用(yong)解(jie)決(jue)最(zui)困(kun)難(nan)的(de)氫(qing)氣(qi)分(fen)離(li)和(he)安(an)全(quan)存(cun)儲(chu)運(yun)輸(shu)兩(liang)個(ge)瓶(ping)頸(jing)問(wen)題(ti)，為(wei)再(zai)次(ci)啟(qi)動(dong)“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)