液態儲能系統：無需電力即可儲存太陽能并制氫

太陽能是地球上最豐富的能源之一，但我們無法在任何時間、任何地點隨意使用它。這是因為將太陽能儲存起來，并從日照充足的地區運輸到陽光有限的地區，至今仍然成本高、效率低。

然而，來自甘肅省先進催化關鍵實驗室自然產物化學國家重點實驗室（蘭州大學 ）的研究團隊如今展示了一種全新的思路：他們可以將陽光儲存在一種液體中，并在完全黑暗的條件下將其轉化為氫氣。更重要的是，這種方法在能量運輸過程中不需要電線、電池或電網。

此外，此前還沒有任何使用簡單、商業可獲得材料的系統，能夠在不依賴外部電力的情況下實現“先儲能、后制氫”。這項最新研究表明，這一技術瓶頸終于被突破了。

研究團隊的系統由兩種廉價、現成的材料構成。第一種是石墨相氮化碳，這是一種黃色粉末，能夠吸收可見光并作為光催化劑使用。

第二種是偏鎢酸銨，它由鎢和氧原子組成的簇結構構成，能夠接受并儲存多個電子，作用類似于一個微型可充電電池。整個反應過程在水中進行，并加入少量甲醇。

甲醇在體系中起著關鍵作用，它會吸收光照作用在氮化碳上產生的正電荷，從而防止電子迅速復合并消失，使電子得以被儲存。因此，該系統并不是分解純水，而是需要甲醇作為犧牲劑。

當石墨相氮化碳受到藍光照射時，會產生電子—空穴對，電子迅速轉移至附近的鎢簇中。隨著電子不斷累積，溶液顏色由淺黃色逐漸變為深藍色，這清楚表明鎢原子的價態從+6 還原為+5，太陽能已經以化學形式被儲存。

這種電子轉移之所以高效，主要源于兩個原因。在酸性條件下，氮化碳表面帶正電，而鎢簇帶負電，異性電荷的相互吸引使兩種材料緊密接觸，從而促進電子的高效轉移。同時，兩者的能級匹配良好，電子能夠自然流動，無需外部驅動。在測試的多種類似材料中，這種鎢化合物表現出了最佳的能級匹配和性能。

當光源關閉后，儲存的能量并不會消失。研究人員只需向黑暗中的溶液中加入負載在碳上的鉑催化劑。鉑為反應提供了活性位點，使儲存的電子與水中的質子結合，生成氫氣。

通過這種方式，太陽能捕獲、能量儲存和氫氣生成被分離為不同步驟，并且可以在不同時間進行。在經過一小時光照后，該系統在黑暗中產生了 13.5 微摩爾氫氣。

其峰值制氫速率達到每克每小時 3220 微摩爾，這是目前報道的暗態光催化系統中的最高值。在真實陽光條件下進行的戶外實驗同樣成功，在黑暗中實現了每克每小時 954 微摩爾的制氫速率，全程無需任何電力輸入。

先進表征手段驗證了該系統的工作機制。發光研究顯示，由于電子擁有穩定的儲存位置，其壽命顯著延長；光譜結果表明鎢原子在光照下捕獲電子；磁性測試僅在照光條件下檢測到被還原的鎢物種。這些結果共同證明，太陽能確實被儲存并可按需釋放。

這項研究表明，太陽能可以被捕獲、儲存，并以液體形式運輸，隨后在無需高壓儲氫罐、極低溫或電力的條件下轉化為氫氣。

如果未來研究能夠證明這些被儲存的電子可以穩定保存數周而非數小時，那么在日照充足地區獲取的太陽能就有望被運輸到日照不足的地區，并在需要時轉化為燃料。

不過，該方法目前仍存在局限性，例如依賴甲醇而非純水，以及尚未驗證實驗室時間尺度之外的長期儲存能力。未來研究有望解決這些問題，使太陽能運輸從概念走向現實。

該研究發表于期刊《Advanced Materials》。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875

（素材來自：Advanced-Materials 全球氫能網、新能源網綜合）