3月25日，錢江晚報以《科學(xué)匯｜借太陽一束光，沸騰而出的是潔凈的氫——水變?nèi)剂希瑠W秘在哪里》為題，報道我校鄭華均教授團(tuán)隊在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域取得的新進(jìn)展。

報道稱，我校鄭華均教授團(tuán)隊長期致力于光/電催化研究，團(tuán)隊創(chuàng)制的高性能光催化材料，在室溫下將水裂解獲得氫氣。團(tuán)隊利用光化學(xué)沉積法在二維硫銦鋅納米片表面構(gòu)筑了類似于金字塔形狀的貴金屬鉑單原子。當(dāng)貴金屬鉑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.26%，即在100毫克催化劑中鉑的質(zhì)量僅0.26毫克，在催化劑用量20毫克的前提下，該材料在可見光下的產(chǎn)氫速率為每小時350.1毫摩爾，是單純二維硫銦鋅納米片的17.8倍，較成功地解決了光催化產(chǎn)氫難題。

報道原文如下：

科學(xué)匯丨借太陽一束光，沸騰而出的是潔凈的氫——水變?nèi)剂?，奧秘在哪里

錢江晚報·小時新聞記者 陳素萍

“惟江上之清風(fēng)，與山間之明月，耳得之而為聲，目遇之而成色，取之無盡，用之不竭。是造物者之無盡藏也?！焙帽忍K軾所言，如果人類能利用風(fēng)能、太陽能，將水、空氣轉(zhuǎn)化成燃料，真是近乎“完美”的能源方案。

如今，在“雙碳”背景下，清潔低碳是我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。其中，氫氣因其燃燒熱值高、燃燒產(chǎn)物無污染，是未來清潔能源的首選。如何以最小的能量代價，將水裂解獲得氫氣，更是全球能源領(lǐng)域科學(xué)家們聚焦的研究熱點。

浙江工業(yè)大學(xué)鄭華均教授團(tuán)隊長期致力于光/電催化研究。近日，該團(tuán)隊創(chuàng)制的高性能光催化材料，在室溫下將水裂解獲得氫氣。

該研究成果于2022年3月11日被Nature Communications在線報道

借太陽一束光，沸騰而出的是潔凈的氫，聽起來是不是很神奇？本期科學(xué)匯，我們邀請了負(fù)責(zé)這個項目具體研究的時曉偉副教授開講，他將帶領(lǐng)同學(xué)們?nèi)ヒ惶骄烤埂?/p>

浙工大化學(xué)工程學(xué)院先進(jìn)材料與電化學(xué)研究團(tuán)隊

空間站的氧氣從哪來

初中課本上有答案

2021年10月，神舟十三號載人飛船搭載著“太空出差三人組”順利進(jìn)入太空。根據(jù)任務(wù)安排，三位航天員將在太空中駐留6個月。再過不久，他們將返回地球。

大家都知道，去高原地區(qū)游玩，越往高處空氣越稀薄，很多人需要吸氧。宇宙空間可比高原高多了，地球周圍的宇宙空間，最低高度大約是10萬米，那里幾乎沒有空氣了，氣壓甚至是地面的百萬分之一。

駐留空間站那么長時間，航天員們呼吸的氧氣從何而來？其實，辦法有很多：從地面直接帶氧氣罐；使用固體燃料氧氣發(fā)生器，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣；還可以通過電解水制氧，這種方式在地面很少用，卻是空間站中提供氧氣非常重要的手段。

據(jù)報道，國際空間站的氧氣發(fā)生器就是電解水的制氧設(shè)備。在空間站，巨大的太陽能電池板可以供應(yīng)免費的電力，而作為原料的水，可以從地球上通過補(bǔ)給船運送到空間站，還可以通過冷凝器回收機(jī)艙空氣中的水蒸氣，甚至使用航天員的尿液過濾和回收。

對于電解水，初中的同學(xué)們應(yīng)該都不陌生，而且大家都要動手做實驗：在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，分解成氫氣和氧氣。

那么，在一定條件下，水為什么能分解成氫氣和氧氣呢？

自然界有一條重要的定律，那就是物質(zhì)守恒。物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)過程中原子種類不變，數(shù)目不增不減，只是發(fā)生重新結(jié)合，從一種連接方式轉(zhuǎn)化為另外一種連接方式，就像一個班級調(diào)換座位后重新劃分小組一樣，打亂又重組，但班里的人沒有變。

如果我們想要得到氧氣和氫氣，那么制備它們的原料也要含有同樣的元素，即氧、氫，而每個水分子就包含一個氧原子和兩個氫原子。水分解成氫氣和氧氣這個過程，化學(xué)方程式可以一目了然：2H2O =2H2↑+O2↑

陽光+水=清潔能源

光催化材料有新進(jìn)展

對于空間站上的宇航員而言，分解水的目的，主要是為了得到氧氣，伴隨產(chǎn)生的氫氣可以排放到太空中。但對于地面上的人而言，如何將水裂解獲得氫氣，才是化學(xué)家們孜孜以求的事情。

人類正在從化石能源時代加速跨入可再生能源時代，如果能將陽光、水、空氣等變?yōu)槿剂?，就仿佛掌握了“無中生有”的能源密碼。而氫氣，則被稱為未來清潔能源的首選。

作為清潔能源，氫氣的優(yōu)點突出：與傳統(tǒng)化石燃料不同，氫氣和氧氣可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，也可以通過燃料電池轉(zhuǎn)化成電能，而轉(zhuǎn)化過程只產(chǎn)生水，并不產(chǎn)生溫室氣體或細(xì)粉塵；氫氣熱值高，是同質(zhì)量化石燃料的3倍；氫的來源很多樣，通過化石燃料、電解水、核能、光催化等多種方式都能制取……

但需要注意的是，想要讓水分解成氫氣和氧氣，有一句前提是“在一定條件下”。水的能級比較低，狀態(tài)比較穩(wěn)定，在自發(fā)的情況下是不會分解為氫氣和氧氣的，重新變成燃料必然要付出巨大的能量代價，比如說電解水就是利用電能來促使這個反應(yīng)進(jìn)行。

從能量的角度考慮，在燃料制備過程中，太陽能無疑是更理想的能量來源。太陽能的潛力是巨大的，僅1%到達(dá)地球干旱地區(qū)的太陽輻射就足以滿足全球能源消耗。

現(xiàn)如今，太陽能向燃料的轉(zhuǎn)化主要有兩種形式：一種先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱或電，再耦合其他技術(shù)制造燃料；另一種是直接利用光催化劑，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

這其中，如何開發(fā)具有高選擇性、高反應(yīng)速率和高穩(wěn)定性的材料，有效地將太陽能轉(zhuǎn)換成我們可利用的燃料是目前該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)。比如，高性能光催化劑是光催化裂解水產(chǎn)氫的關(guān)鍵。

此次，浙工大鄭華均教授團(tuán)隊在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展，就是制備出了高性能的光催化材料。

鄭華均教授研究團(tuán)隊

通常，科研人員通過在光催化劑表面負(fù)載貴金屬（例如鉑、鈀、金）納米顆粒來提高材料的光催化產(chǎn)氫性能。但貴金屬材料在自然界含量稀少，價格昂貴，制約了其大規(guī)模推廣使用。因此，如何使用盡可能少的貴金屬實現(xiàn)催化性能的大幅提高是光催化產(chǎn)氫面臨的重要課題。

此次，浙工大團(tuán)隊利用光化學(xué)沉積法在二維硫銦鋅納米片表面構(gòu)筑了類似于金字塔形狀的貴金屬鉑單原子。當(dāng)貴金屬鉑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.26%，即在100毫克催化劑中鉑的質(zhì)量僅0.26毫克，在催化劑用量20毫克的前提下，該材料在可見光下的產(chǎn)氫速率為每小時350.1毫摩爾，是單純二維硫銦鋅納米片的17.8倍，較成功地解決了光催化產(chǎn)氫難題。

理論計算氫原子在PtSS-ZIS表面的　吸附以及成鍵氫分子過程

二維ZnIn2S4納米片　表面構(gòu)筑凸起狀鉑單原子形貌表征

在浙江工業(yè)大學(xué)的實驗室里，研究人員將催化劑在玻璃片上制備成薄膜后，在可見光照射和模擬太陽光下可以看到明顯的氣泡產(chǎn)生，利用太陽能通過光催化順利在室溫下分解水產(chǎn)氫。

時曉偉博士指導(dǎo)研究生

發(fā)展清潔能源

中國在行動

作為綠色低碳能源，清潔能源對改善能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和具有重要意義。

近年來，中國清潔低碳化進(jìn)程不斷加快，水電、風(fēng)電、光伏、在建核電裝機(jī)規(guī)模等多項指標(biāo)保持世界第一，建成世界最大清潔發(fā)電體系，成為推動全球清潔能源發(fā)展的重要力量。

水電方面，從葛洲壩、三峽、烏東德、溪洛渡、向家壩到白鶴灘水電站，中國沿長江而上建成世界最大清潔能源走廊。

風(fēng)電方面，海上風(fēng)電將是我國發(fā)展風(fēng)電的主力。比如，在江蘇如東海岸線約30公里的海面上，海上風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組疏密有致，屹立于海天之間。整個如東海上風(fēng)電場總裝機(jī)量達(dá)70萬千瓦，每年上網(wǎng)電量18.9億千瓦時，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約57.91萬噸，減少二氧化碳排放158.38萬噸。

光伏方面，戈壁荒灘成了“藍(lán)色海洋”。海拔近3000米、曾經(jīng)人跡罕至的青海省海南藏族自治州共和縣塔拉灘，隨著光伏發(fā)電的興起發(fā)展，換了新模樣：大片光伏板取代了光禿禿的沙石地面，整個塔拉灘生態(tài)光伏園總裝機(jī)量9000多兆瓦，年均發(fā)電96億千瓦時。

國家能源局負(fù)責(zé)人表示，接下來要加快發(fā)展風(fēng)電、太陽能發(fā)電等非化石能源發(fā)電，不斷擴(kuò)大綠色低碳能源供給，“十四五”時期風(fēng)電光伏要成為清潔能源增長的主力。

錢江晚報新聞客戶端 “小時新聞”報道

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