水变氢气作能源？中科大实现首个光解水制氢储氢一体化体系设计

水，化学分子式H2O，氢和氧的结合。从水中分离氢并非难事，然而，氢气的收集和储存一直是个技术难点，抑制了光解水制氢的实际应用。日前，中国科大的学者们破解了这一难题。该校微尺度物质科学国家实验室江俊教授、赵瑾教授合作，利用第一性原理计算，提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计。》》》阅读推荐：合肥一工地惊现8万元现金工人第一时间报警 失主或是一离世仓管员
该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点。研究人员表示，这将为实现太阳能裂解水转换为氢能，以及氢能的大规模应用解决最困难的氢气分离和安全存储运输两个瓶颈问题，为再次启动“氢能经济时代”打开大门。
光解水制氢的发展一度停滞不前
早在20世纪70年代，就有人提出了一个氢能经济这一看似完美的可持续方案。以用之不竭的太阳光驱动，把水分解为氢气和氧气。而氢是一种清洁能源，燃烧生成水，不会产生任何污染物。然而，长久以来，科学家们无法破解氢气的收集和存储上的技术瓶颈，光解水制氢的发展停滞不前。
“氢气的产生，依赖于光生电子和空穴分别迁移到氧化和还原位点，使得二者间距必须小于电子的平均自由程，也就是10—50nm。如此短的间距不仅导致逆反应的发生无法避免，也增加了分离和收集氢气的困难。”中科大相关研究人员介绍说，另一方面，氢气的安全存储是一项长期的挑战。氢气与氧气混合极易爆炸，十分危险。而常用的高压液化后金属储氢成本高，使用不便。因此，在开发出低成本收集氢气和安全储氢的解决方案之前，太阳能光解水制氢无法得以有效的大规模应用。

最新研究实现了氢气的有效提纯
针对光解水制氢过程中的逆反应严重、氢气难分离和存储的问题，研究人员从诺贝尔奖获得者、英国科学家安德烈·海姆爵士和中国科学技术大学吴恒安教授的研究工作得到启发：石墨烯能够隔绝所有气体和液体，却对质子能够“网开一面”，大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”，江俊等设计了一种二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。
在这次的三明治结构体系中，碳氮材料夹在两层官能团修饰的石墨烯中。在过程中，石墨烯仅仅为氢原子放行，而光解水产生的氢气不能穿透石墨烯材料，导致光解水产生的氢气分子将被安全地保留在三明治复合体系内;同时O2、OH等体系也无法进入复合体系，抑制了逆反应的发生，实现了高储氢率下的安全储氢。
这一研究体系以较低的成本，巧妙地抑制了光解水制氢的逆反应发生，实现了氢气的有效提纯，是首个安全制氢与储氢一体化的设计。除了石墨烯材料之外，其他经官能团修饰的sp2杂化碳材料和光催化剂也可以用于这一复合体系中。晨报记者 于巧妮》》》阅读推荐：合肥一工地惊现8万元现金工人第一时间报警 失主或是一离世仓管员
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