在探索清潔能源的道路上，一項(xiàng)關(guān)于光催化水分解制氫的研究近日取得了令人矚目的新突破。這項(xiàng)研究對于推動能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，減少對化石燃料的依賴，以及緩解環(huán)境壓力具有深遠(yuǎn)的意義。

據(jù)悉，中國科學(xué)院的一支科研團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新手段，成功設(shè)計出一種新型催化材料，該材料在光催化水分解制氫方面展現(xiàn)出了前所未有的高效性能。這一成果的核心在于，團(tuán)隊(duì)巧妙地在二氧化鈦中引入了稀土元素鈧，從而創(chuàng)造出一種具有獨(dú)特定向光生電荷傳輸通道的材料。

在太陽能制氫的兩大主流方法中，即太陽能發(fā)電后電解水制氫和直接光解水制氫，二氧化鈦一直被視為光催化材料的佼佼者。然而，其自身存在的缺陷，如電子和空穴的復(fù)合反應(yīng)以及高溫制備過程中產(chǎn)生的原子級缺陷，一直限制著其制氫效率的提升。針對這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)采取了“元素替代”與“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的雙重策略。

他們精心選擇了稀土元素鈧，因其離子半徑與鈦相近，能夠順利替代鈦的位置，并通過其價態(tài)中和氧空位帶來的電荷失衡，進(jìn)而重構(gòu)晶體的原子排布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)在二氧化鈦中引入5%的鈧原子后，成功制備出了具有特定晶面組成的金紅石相二氧化鈦。這種新材料內(nèi)部形成了類似“電荷高速公路”的結(jié)構(gòu)，并伴隨著強(qiáng)電場的產(chǎn)生，極大地提升了光生電荷的分離效率。

經(jīng)過嚴(yán)格的測試驗(yàn)證，這種經(jīng)過改造的半導(dǎo)體光催化材料在性能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。其光生電荷分離效率相較于傳統(tǒng)材料提高了200余倍，量子利用率更是突破了30%的大關(guān)，產(chǎn)氫效率也實(shí)現(xiàn)了15倍的增長。這一系列的數(shù)據(jù)不僅彰顯了新材料在光催化水分解制氫方面的巨大潛力，也為后續(xù)的研究和應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。