近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊金龍研究組提出了一種新的光解水的催化機(jī)制，使得利用紅外光進(jìn)行光解水制氫成為可能，為今后全頻譜利用太陽能鋪平了道路。該成果發(fā)表在最新一期的《物理評論快報》上。
利用太陽光分解水制氫，為人類提供清潔燃料，被視為化學(xué)的圣杯。水分解是吸熱反應(yīng)，傳統(tǒng)理論要求光催化劑的能隙至少要大于反應(yīng)吸熱(1.23eV)，因而占太陽光能量近一半的紅外光無法被吸收用來分解水制氫。
楊金龍研究組提出具有內(nèi)稟電偶極矩的二維納米催化劑，可突破傳統(tǒng)理論對催化劑能隙的限制，用紅外光也可以分解水產(chǎn)生氫氣。這種催化劑存在偶極內(nèi)電場，吸附在催化劑兩個表面上的水分子會感受到不同的靜電勢，從而導(dǎo)致兩個表面上水的氧化還原電勢變得不再相同。如果氧化和還原分別發(fā)生在不同的表面，催化劑受到的能隙限制原則上將不再存在。在這一新的光解水機(jī)制中，不僅紫外光和可見光，紅外光也可以用來促使水分解產(chǎn)生氫氣。另外，這種催化劑的光激發(fā)是一個電荷轉(zhuǎn)移過程，電子和空穴分別產(chǎn)生在兩個不同的表面，催化劑固有偶極電場有效促進(jìn)了光生電子空穴對的空間分離，并做功幫助水分解產(chǎn)生氫氣�；谶@一機(jī)制，他們設(shè)計了一種雙層氮化硼納米體系，其兩個表面分別用氫和氟修飾。理論計算與模擬表明這是一種有效的紅外光催化分解水體系。
這一工作大大擴(kuò)展了太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能中可利用的太陽光頻譜范圍，有望對未來新能源技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。英國物理學(xué)會（IOP）的物理世界網(wǎng)站發(fā)專文對此成果進(jìn)行了介紹和評價。
上述研究得到了中國科學(xué)院、科技部、教育部和國家基金委的支持。
