神奇的光催化技術(shù)開(kāi)啟終極清潔能源的星光大道

    “我相信總有一天可以用水來(lái)作燃料，組成水的氫和氧可以單獨(dú)地或合在一起來(lái)使用，這將為熱和光提供無(wú)限的來(lái)源，所供給光和熱的強(qiáng)度是煤炭所無(wú)法達(dá)到的，水將是未來(lái)的煤炭?！?870年，吉爾斯·費(fèi)恩在科幻小說(shuō)《神秘島》中寫(xiě)下了這段看似“夢(mèng)囈”般的預(yù)言，但他終究沒(méi)能等來(lái)圓夢(mèng)的一天。

    一百多年后，這個(gè)由歐美學(xué)者提出、日本學(xué)者突破的科學(xué)研究，卻在中國(guó)學(xué)者的努力下率先躍出實(shí)驗(yàn)室，化身為有可能商業(yè)化利用的“終極”新能源。

    1月9日，南京大學(xué)鄒志剛教授、武漢理工大學(xué)余家國(guó)教授雙雙手捧證書(shū)站在北京人民大會(huì)堂，在此次國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，光催化材料領(lǐng)域一舉奪得兩項(xiàng)自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。令人驚訝的是，他們竟來(lái)自同一個(gè)973項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。其中，鄒志剛等完成的《可見(jiàn)光響應(yīng)光催化材料及在能源與環(huán)境中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究》，是利用太陽(yáng)可見(jiàn)光將水分解為氫和氧，轉(zhuǎn)化效率高達(dá)6％，為國(guó)際翹楚。

    “氫有綠色燃料之稱，它取自于水，燃燒之后又回歸于水；它的燃值是汽油的3倍，火箭、高速賽車都把氫作為提升動(dòng)力的最佳燃料。”鄒志剛談起氫能源十分興奮，“把氫作為人類的終極能源，這是一項(xiàng)夢(mèng)一樣的技術(shù)！”

    但是，目前獲得氫的最簡(jiǎn)單途徑是電解法，即利用電將水分解為氫和氧，既不環(huán)保也不節(jié)能。怎樣用清潔的方法得到氫，成為全球科學(xué)家的一個(gè)夢(mèng)。

    1972年，日本東京大學(xué)的兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在紫外光照射下，二氧化鈦單晶電極能使水在常溫常壓下發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣。彼時(shí)，正值中東石油危機(jī)爆發(fā)，這一發(fā)現(xiàn)無(wú)疑給那些正陷入能源危機(jī)恐慌的人們注入了一針“強(qiáng)心劑”。從此，“光分解水制氫”不僅成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，也深深地嵌入了全人類的新能源逐夢(mèng)計(jì)劃。

    而后的三十多年，盡管各國(guó)科學(xué)家做出了不懈的嘗試和努力，但僅占太陽(yáng)光5％的紫外光，讓光分解水制氫的轉(zhuǎn)化率低得可憐。若想進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率并有實(shí)際商用價(jià)值，只能向可見(jiàn)光方向突圍。

    2001年，鄒志剛與合作者在這一領(lǐng)域書(shū)寫(xiě)了一個(gè)大大的驚嘆號(hào)：他們把在氧化物超導(dǎo)材料領(lǐng)域所獲得的結(jié)晶物理學(xué)材料設(shè)計(jì)手法、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，首次在世界上成功地開(kāi)發(fā)出可見(jiàn)光響應(yīng)型水全分解光催化劑，并發(fā)表在《自然》雜志；同一天，世界另一著名科學(xué)雜志《科學(xué)》，也以《水＋太陽(yáng)＋新催化＝新能源》為標(biāo)題配發(fā)評(píng)論，稱“這是一個(gè)突破，雖然還有很多的工作要做，但是這一研究成果必將影響未來(lái)研究的整個(gè)過(guò)程”。

    至此，費(fèi)恩的科幻小說(shuō)中，被人們稱之為“夢(mèng)一樣的技術(shù)”開(kāi)始照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

    光催化技術(shù)不僅在能源領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景，在環(huán)保方面也大有用武之地。目前，這一技術(shù)在福州大學(xué)付賢智院士的帶領(lǐng)下已在我國(guó)多地的廢水處理及空氣凈化中得到成功應(yīng)用，他們也是同一個(gè)973團(tuán)隊(duì)的成員。

    在973項(xiàng)目的支持下，我國(guó)的光催化技術(shù)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，前景愈加可期：該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先開(kāi)展了人工模擬植物光合作用研究，他們以水和二氧化碳為原料，成功將二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳?xì)淙剂稀淄榈取２粌H創(chuàng)造了一個(gè)清潔的碳循環(huán)路徑，也引來(lái)國(guó)外同行的跟蹤研究。

    此外，該團(tuán)隊(duì)還在國(guó)際上率先開(kāi)展光催化分解海水研究，他們利用無(wú)限的太陽(yáng)光和無(wú)盡的海水制得氫能，進(jìn)而反應(yīng)產(chǎn)生淡水，這對(duì)解決世界范圍內(nèi)的淡水危機(jī)也將是一大福音。

    國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)的取得給了這個(gè)973項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)更大的動(dòng)力，也推動(dòng)光催化技術(shù)在原有研究的基礎(chǔ)上派生出新的研究方向。

    “預(yù)計(jì)到第二期973項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，我們的光催化水解制氫轉(zhuǎn)化率將達(dá)到8％，接近美國(guó)能源部制定的10％商業(yè)化利用目標(biāo)，中國(guó)人有望率先實(shí)現(xiàn)人類百年前的夢(mèng)想?！编u志剛說(shuō)，“但氫能源生產(chǎn)出來(lái)之后怎么辦？為此，我們下一步也將進(jìn)行燃料電池等方面技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，最終達(dá)到低成本、高效率且環(huán)境友好地產(chǎn)生和利用氫能源?！?/P>