中國科學院過程所段東平：光解水制氫是綠氫發展之路

“2024中國氫能產業創新發展大會”日前在四川省攀枝花市召開。中國科學院過程工程研究所研究員段東平在會上表示，人類利用自然能的最理想模式是采用最短路徑將太陽能轉換為電能，并可同時高效光解水制氫。

段東平在報告中指出，光催化制氫屬于均相水分解，是最簡單、成本最低的制氫方式之一。但同時，作為前沿制氫技術，光催化制氫在提高水分解效率、保持光穩定狀態等方面依然面臨一些挑戰，且制氫過程仍需額外的能量實現氫氣和氧氣分離。

段東平團隊通過多年研究，采用全球首次研發成功的形貌可控的納米二十六面體鈦酸鍶晶體和自行研發的二次聚光系統進行光電轉換發電和光催化反應制氫，設計出了高倍聚光系統里的聚光發電與催化制氫新路線，提出了晶面激發態模型與高倍聚光積發態理論，實現了可以在同一套聚光設備里根據需要發電或者制氫，并于2024年3月在河南鄭州建成多面體鈦酸鍶聚光量子發電與聚光催化制氫一體化技術MW級示范線，助推并引領聚光量子發電與聚光催化制氫新技術和新理論的發展與推廣。

據段東平介紹，鈦酸鍶是典型的鈣鈦礦結構，具有熱穩定性好、光量子利用率高和紫外光吸收能力強等優點，是低密度太陽能轉化為高密度化學能的理想催化材料之一。科研團隊為進一步提高光電轉換能力，合成出了具有中空籠狀形貌且晶型穩定的新型多面體鈦酸鍶微納米顆粒，其激發自由載流子能力更強、載流子壽命更長，且產生的自陷激子減弱了光載流子的復合，可顯著提高光響應性與光子利用率。同時，通過鈦酸鍶與石墨烯、碘氧化鉍、碳酸鍶/硫酸鍶、金屬摻雜等合成復合材料，載流子分離效率得到了有效提高，且光響應范圍未來也可拓展至全光域。

段東平指出，采用鈦酸鍶進行光催化制氫具有四方面優勢：一是鈦酸鍶熔點高達2060℃，其穩定性和適應性好；二是多晶面的鈦酸鍶可激發更多的有效光電子，提高光電轉換效率；三是通過使用鈦酸鍶材料可使紫外線在增強發電效率的同時避免對光伏系統的損壞；四是聚光太陽能與鈦酸鍶的四維構型結合可實現電能高效轉換。

據段東平預測，到2025年通過多面體鈦酸鍶聚光量子發電技術，太陽能綜合利用效率可達45%。

段東平表示，其團隊首創的二十六面體鈦酸鍶及多面體中空籠狀鈦酸鍶具有原材料獨占性，目前已掌握多面體鈦酸鍶的制備技術，并且正在建設百噸級生產線。同時，研究團隊已完成“高倍聚光-發電+光解水制氫一體化”成套技術與裝備的研發，可實現千倍聚光，光解水析氫效率可達6mmol/h·g，已經實現了每立方米容器光解水制氫產率10m3/h，預計在攀枝花的制氫生產成本約為12元/kg。