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在追求碳中和的道路上，氫氣被視為未來能源的重要組成部分，它不僅能作為清潔燃料，還能與二氧化碳反應(yīng)制造可持續(xù)的塑料。然而，氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)仍面臨著高成本和低效率的挑戰(zhàn)。如今，一項(xiàng)顛覆性的研究突破，或許能為這一難題帶來解答——單一催化劑高效分解水的技術(shù)，正在突破傳統(tǒng)限制，掀起一場(chǎng)氫能革命。信州大學(xué)的道門一成教授及其團(tuán)隊(duì)，憑借將氫氣和氧氣生成催化劑合二為一的創(chuàng)新研究，獲得了2024年科睿唯安引文榮譽(yù)獎(jiǎng)，也被認(rèn)為距離諾貝爾獎(jiǎng)僅一步之遙。

道門教授的研究不僅在催化劑領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，還成功地將這一技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用邁出了重要一步。這項(xiàng)技術(shù)利用光催化劑，只需將粉末溶解在水中并暴露在光下，便可高效產(chǎn)生氫氣，并且具有顯著的能源利用效率提升。與傳統(tǒng)方法不同，光催化劑不再依賴兩個(gè)分離的催化劑，而是通過將氮化鎵和氧化鋅結(jié)合，直接在單一催化劑上實(shí)現(xiàn)水的分解，打破了光催化領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

但這一革命性進(jìn)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)——如何擴(kuò)大基材的光吸收波長(zhǎng)，如何在保持高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，這些都需要更多的研究和實(shí)踐來驗(yàn)證。正如道門教授所言，雖然距離真正的商業(yè)應(yīng)用還需幾步，但這一技術(shù)的潛力已顯而易見，未來的氫氣價(jià)格或?qū)⒁虼吮┑�，為�?shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)提供強(qiáng)大的動(dòng)力。在此背景下，這項(xiàng)研究不僅代表了科學(xué)的重大突破，也為新能源產(chǎn)業(yè)的未來打開了全新的發(fā)展空間。

氫催化劑技術(shù)產(chǎn)生的背景及介紹

為了實(shí)現(xiàn)碳中和（即幾乎零溫室氣體排放），我們迫切需要一種廉價(jià)且大規(guī)模可持續(xù)的氫氣供應(yīng)。氫氣不僅可以作為清潔能源燃料使用，還能與二氧化碳反應(yīng)生成塑料等有用的材料，且氫氣本身是可重復(fù)利用的，排放過程不產(chǎn)生碳。因此，氫氣被視為解決氣候變化的重要“武器”。而其中，光催化技術(shù)有望大幅降低氫氣的生產(chǎn)成本，未來氫氣的價(jià)格可能因此大幅下降——這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵就在于，研究人員只需將催化劑粉末溶解在水中并暴露在陽光下，就能高效分解水并釋放氫氣。目前，一些日本科學(xué)家的研究成果已經(jīng)被認(rèn)為有可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

信州大學(xué)的道門一成教授在獲得2024年科睿唯安引文榮譽(yù)獎(jiǎng)后，談到這項(xiàng)技術(shù)時(shí)表示，雖然他非常期待看到技術(shù)盡快進(jìn)入實(shí)用階段，但他認(rèn)為還需要等待兩三年，才能真正見證這一成果的廣泛應(yīng)用。這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)被視為通向諾貝爾獎(jiǎng)的前奏，而水分解光催化劑的實(shí)際應(yīng)用也已經(jīng)只差幾步之遙。

這項(xiàng)研究突破的關(guān)鍵在于光催化劑的設(shè)計(jì)。科學(xué)家們通過拓寬催化劑對(duì)光的吸收波長(zhǎng)，顯著提升了水分解的效率。如果催化劑能吸收更多的太陽光，利用光能分解水的效率也會(huì)大幅提高。傳統(tǒng)的光催化方法需要分別使用兩種不同的催化劑來分解水，分別生成氧氣和氫氣，而道門教授的團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將兩者合并成一個(gè)單一的催化劑，從而大幅提高了反應(yīng)效率。

2006年，道門教授曾在一篇論文中首次提出，用單一催化劑實(shí)現(xiàn)水的高效分解，這一想法獲得了廣泛的關(guān)注和高度評(píng)價(jià)。此前，分解水時(shí)生成氫氣和氧氣的兩個(gè)催化劑之間需要借助復(fù)雜的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，這一直是限制反應(yīng)效率提升的瓶頸。道門教授的團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合氮化鎵和氧化鋅，成功創(chuàng)造了一個(gè)能同時(shí)生成氧氣和氫氣的單一催化劑。令人驚訝的是，這種催化劑甚至能夠在能量較低的可見光下，也能有效地產(chǎn)生氫氣。

這項(xiàng)技術(shù)的突破為氫氣的生產(chǎn)提供了更加高效、低成本的途徑，也為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)帶來了新的希望。

挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大基材的吸收波長(zhǎng)

挑戰(zhàn)在于如何擴(kuò)大基材對(duì)光的吸收波長(zhǎng)。在此之前，光催化技術(shù)的可行性曾遭到質(zhì)疑。但多門教授的研究論文推動(dòng)了人工光合作用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，許多在歐洲和美國(guó)的研究項(xiàng)目也開始采用相似的方法。

此外，關(guān)于水分解技術(shù)，研究者們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了紫外光下100%的量子產(chǎn)率。這意味著，催化劑吸收光后，幾乎所有生成的電子和空穴都能被用來進(jìn)行水分解反應(yīng)，極大地提高了反應(yīng)效率。

本研究使用了添加鋁的鈦酸鍶作為基體材料，銠鉻氧化物復(fù)合物作為氫氣生成助催化劑，氫氧化鈷作為氧氣生成助催化劑。鈦酸鍶晶體具有優(yōu)異的電子和空穴導(dǎo)流性能。因此，研究團(tuán)隊(duì)將氫生成促進(jìn)劑附著在電子流動(dòng)較好的表面，而將氧生成促進(jìn)劑附著在空穴流動(dòng)較好的表面，從而優(yōu)化了反應(yīng)過程，避免了相互干擾。研究人員還成功地在直徑僅500納米（1納米是十億分之一米）的18面顆粒上進(jìn)行了精確著色。

目前的挑戰(zhàn)是，如何在不影響性能的情況下，進(jìn)一步擴(kuò)大基材的吸收波長(zhǎng)。新的材料如氮化鉭和氧化錫/鈮等已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，作為潛在的改進(jìn)方案。多門教授解釋說：“通過添加新元素可以拓寬光的吸收波長(zhǎng)，但這也可能導(dǎo)致晶體中產(chǎn)生更多缺陷。”

盡管如此，離實(shí)際應(yīng)用還需要幾個(gè)步驟才能完成。日本擁有大量材料研究人員，他們不僅在催化劑領(lǐng)域有深厚的積累，還在半導(dǎo)體和電池等領(lǐng)域取得了很多進(jìn)展。來自不同領(lǐng)域的創(chuàng)新思路可能為技術(shù)突破帶來新的機(jī)會(huì)。

在催化劑研究的同時(shí)，相關(guān)的制造工藝商業(yè)化和驗(yàn)證也在同步推進(jìn)。新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的一個(gè)項(xiàng)目中，已實(shí)際構(gòu)建了一個(gè)100平方米的氫氣生產(chǎn)示范系統(tǒng)，通過排列1600塊面板。三菱化學(xué)等公司也積累了工廠設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，目前正進(jìn)行示范開發(fā)。

值得注意的是，大學(xué)的基礎(chǔ)研究成果并不是完成后直接交給企業(yè)，而是大學(xué)的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)的商業(yè)發(fā)展是并行推進(jìn)的。關(guān)鍵在于，研究人員能否將水分解原理與工廠設(shè)計(jì)知識(shí)相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)研究和商業(yè)的雙贏。