4月8日，中国科学院金属研究所刘岗团队在《美国化学学会期刊》发表的科研成果，为太阳能制氢技术开辟了新路径。
研究团队通过向二氧化钛材料中引入稀土元素“钪”，成功构建起定向传输光生电荷的“高速公路”，将光解水制氢效率提升至传统材料的15倍。
“好邻居”变身好帮手
在传统二氧化钛材料中，被光子激发的电子和空穴如同置身迷宫的赛车，百万分之一秒内就会碰撞湮灭，致使光能转化效率长期徘徊在低位。
研究团队创造性采用“元素替代”和“结构优化”策略，选择钛的邻居——稀土元素钪，作为晶格改造工程师。钪离子凭借与钛相近的原子半径（0.87Å vs 0.68Å）完美嵌入晶格，其稳定的+3价态有效中和了高温制备产生的氧空位缺陷，更在材料表面重构出由｛101｝和｛110｝晶面组成的电荷传输通道。
刘岗解释道：“这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒里架起了立交桥。”两个特殊晶面如同分工明确的车道，分别引导电子和空穴向相反方向运动，配合晶面间强度达1kV/cm的内建电场，使得光生电荷分离效率提升200余倍。
▲钪掺杂氧化钛晶体结构和光解水反应示意图
这种掺杂5%钪原子制备出的新型光解水催化材料名叫“金红石相二氧化钛”。经实验验证，在模拟太阳光下，其产氢效率比已报道的二氧化钛高出15倍，创造了该材料体系的新纪录。若将新材料制成1平方米的光催化材料面板，每日太阳光照可产生约10升的氢气；若制作成100平方米的光催化板，一天光照时间产生的氢气，可以驱动一辆氢能汽车行驶68公里。
“下半场”胜利有望
该项技术从实验室走向产业化具备得天独厚的资源优势和应用场景。首先，二氧化钛在中国作为一种工业用途广泛的无机材料，已形成完整的产业链，且国内的稀土钪储量位居世界前列；其次，相较于当前主流的“光伏发电+电解水”技术路线，这种直接光解水方案在保持系统简洁性的同时，将设备成本降低了约60%，更适用于分布式能源场景。
对于光解水制氢的突破性成果，刘岗则坦言：“这只是‘半场胜利’，目前我们只是利用了占太阳光5%的紫外光，如何用好占43%的可见光是我们的下一个攻关方向。”
目前研究团队正致力于将材料的响应光谱从紫外区拓展至可见光范围。通过构建梯度能带结构、引入等离子体共振效应等策略，计划在未来三年内实现全光谱15%以上的量子效率，让这一指标真正达到工业化应用门槛。
“这项研究为设计高效光催化材料提供了新思路，随着效率进一步提升，太阳能光解水制氢有望成为绿色能源体系的重要拼图。”
届时，这一成果将为未来能源结构的转型升级提供强有力的支撑。150年前科幻作家凡尔纳预言的“水将成为终极燃料”或将成为现实。
原文标题 : 周期表上的邻居，助力光解水制氢效率提升15倍
4月8日，中国科学院金属研究所刘岗团队在《美国化学学会期刊》发表的科研成果，为太阳能制氢技术开辟了新路径。
研究团队通过向二氧化钛材料中引入稀土元素“钪”，成功构建起定向传输光生电荷的“高速公路”，将光解水制氢效率提升至传统材料的15倍。
“好邻居”变身好帮手
在传统二氧化钛材料中，被光子激发的电子和空穴如同置身迷宫的赛车，百万分之一秒内就会碰撞湮灭，致使光能转化效率长期徘徊在低位。
研究团队创造性采用“元素替代”和“结构优化”策略，选择钛的邻居——稀土元素钪，作为晶格改造工程师。钪离子凭借与钛相近的原子半径（0.87Å vs 0.68Å）完美嵌入晶格，其稳定的+3价态有效中和了高温制备产生的氧空位缺陷，更在材料表面重构出由｛101｝和｛110｝晶面组成的电荷传输通道。
刘岗解释道：“这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒里架起了立交桥。”两个特殊晶面如同分工明确的车道，分别引导电子和空穴向相反方向运动，配合晶面间强度达1kV/cm的内建电场，使得光生电荷分离效率提升200余倍。
▲钪掺杂氧化钛晶体结构和光解水反应示意图
这种掺杂5%钪原子制备出的新型光解水催化材料名叫“金红石相二氧化钛”。经实验验证，在模拟太阳光下，其产氢效率比已报道的二氧化钛高出15倍，创造了该材料体系的新纪录。若将新材料制成1平方米的光催化材料面板，每日太阳光照可产生约10升的氢气；若制作成100平方米的光催化板，一天光照时间产生的氢气，可以驱动一辆氢能汽车行驶68公里。
“下半场”胜利有望
该项技术从实验室走向产业化具备得天独厚的资源优势和应用场景。首先，二氧化钛在中国作为一种工业用途广泛的无机材料，已形成完整的产业链，且国内的稀土钪储量位居世界前列；其次，相较于当前主流的“光伏发电+电解水”技术路线，这种直接光解水方案在保持系统简洁性的同时，将设备成本降低了约60%，更适用于分布式能源场景。
对于光解水制氢的突破性成果，刘岗则坦言：“这只是‘半场胜利’，目前我们只是利用了占太阳光5%的紫外光，如何用好占43%的可见光是我们的下一个攻关方向。”
目前研究团队正致力于将材料的响应光谱从紫外区拓展至可见光范围。通过构建梯度能带结构、引入等离子体共振效应等策略，计划在未来三年内实现全光谱15%以上的量子效率，让这一指标真正达到工业化应用门槛。
“这项研究为设计高效光催化材料提供了新思路，随着效率进一步提升，太阳能光解水制氢有望成为绿色能源体系的重要拼图。”
届时，这一成果将为未来能源结构的转型升级提供强有力的支撑。150年前科幻作家凡尔纳预言的“水将成为终极燃料”或将成为现实。
原文标题 : 周期表上的邻居，助力光解水制氢效率提升15倍
