石墨烯“絕技”解決光解水制氫難題

記者從中國科技大學(xué)獲悉，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室羅毅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用第一性原理計算，提出了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系設(shè)計，該方案具有低成本、通用性、安全儲氫的優(yōu)點，相關(guān)成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。

氫能經(jīng)濟(jì)是20世紀(jì)70年代提出的一個“完美”的可持續(xù)能源方案，以用之不竭的太陽光驅(qū)動，把水分解為氫氣和氧氣。

針對光解水制氫過程中的逆反應(yīng)嚴(yán)重、氫氣難分離和存儲的問題，研究人員從前人的研究工作得到啟發(fā)：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，卻對質(zhì)子能夠“網(wǎng)開一面”，大方放行。利用這一特點設(shè)計了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)。

在這個三明治結(jié)構(gòu)體系中，碳氮材料夾在兩層官能團(tuán)修飾的石墨烯中。第一性原理計算表明，利用太陽光能產(chǎn)生激子，光生激子迅速分離形成高能電子和空穴并分別遷移中間的碳氮材料和外層的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位點上的水分子在光生空穴的幫助下，發(fā)生裂解，產(chǎn)生質(zhì)子。這些產(chǎn)生的質(zhì)子受碳氮材料上內(nèi)建靜電場驅(qū)動，可穿透石墨烯材料，運動到內(nèi)部的二維碳氮材料上，并且遇到電子后反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

由于石墨烯唯一放行的僅僅是氫原子(質(zhì)子)，而光解水產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯材料，導(dǎo)致光解水產(chǎn)生的氫氣分子將被安全地保留在三明治復(fù)合體系內(nèi)，抑制了逆反應(yīng)的發(fā)生，實現(xiàn)了高儲氫率下的安全儲氫。

這一體系以較低的成本，巧妙地抑制了光解水制氫的逆反應(yīng)發(fā)生，實現(xiàn)了氫氣的有效提純。將為氫能大規(guī)模應(yīng)用解決最困難的氫氣分離和安全存儲運輸兩個瓶頸問題，為再次啟動“氫能經(jīng)濟(jì)時代”打開了大門。