光催化水分解制氢是一种将太阳能高效转化为化学能的关键技术，同时也是减少化石能源依赖、缓解环境污染的重要途径。
近日，中国科学院金属研究所刘岗团队创造性地在二氧化钛材料中引入稀土元素钪，通过其独特“绝技”，成功设计出具有定向光生电荷传输通道的催化材料，大幅提升了光催化水分解制氢效率。
01
光催化分解水
目前太阳能制氢主要有两种方式：一种方式是太阳能电池发电再电解水，效率高但设备复杂且昂贵；另一种是太阳光直接光解水，通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。
二氧化钛被称为“光催化材料”，材料晶体的体相布满数以亿计的钛原子和氧原子，受到阳光照射时，光子撞击激发出携带能量的电子—空穴对，用于分解水制取氢气。
但二氧化钛本质上有个严重的障碍：这些被激活的电子和空穴就像迷失方向的赛车，在如同迷宫的材料内部横冲直撞，绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭。
同时，高温制备环境容易导致氧原子“离家出走”，形成会导致电子和空穴复合的原子级缺陷，如同让“迷宫”充满陷阱，大幅降低光催化分解水效率。
02
钪掺杂改造
中国科学院金属研究所团队研究发现，解决问题的关键在于“元素替代”及“结构整容”。
科研人员选择了元素周期表中钛的邻居——稀土元素钪（Sc），作为改造工程师。
钪有三大绝技：一是，钪离子半径与钛相近，能完美嵌入晶格而不造成结构变形；二是，钪的稳定价态+3价恰好能中和氧空位带来的电荷失衡；三是，钪原子在表面能重构晶体原子排布，得到特定的晶面结构，从而能够指引光生电子和空穴顺利跑出“迷宫”。
通过引入5%的钪原子，研究团队成功制备出颗粒表面由｛101｝和｛110｝两类晶面组成的金红石相二氧化钛。这两个晶面就像精心设计的“电荷高速公路”：一个晶面专门收集电子，另一个则负责接收空穴。
并且，两个晶面之间形成了强度堪比太阳能电池的电场（约1kV/cm），这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设了光生电荷运输的“立交桥”。
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▲钪掺杂氧化钛晶体结构和光解水反应示意图
03
助力能源结构转型升级
经过测试，改造后的半导体光催化材料展现出惊人的性能提升：光生电荷分离效率提升200余倍，对波长为360nm紫外光的量子利用率突破30%关口。在模拟太阳光下，其产氢效率比二氧化钛材料高出15倍，创造了该材料体系的新纪录。
二氧化钛作为一种工业用途广泛的无机材料，我国已形成完整的产业链。同时我国稀土钪的储量位居世界前列。
未来，光催化分解水效率进一步突破后将有望实现产业应用，助力能源结构转型升级。
来源：中国科学院金属研究所
责任编辑：曹旸