元素百科为您介绍中国科技大学提出了第一个光解水氢储存一体化系统设计。近日，中国科技大学合肥微型物质科学国家实验室教授罗毅研究小组成员江军，与微型物质科学国家实验室教授赵金合作，利用第一原则，提出了第一个光解水氢储存一体化材料系统设计，具有成本低、通用、安全储存氢的优点。
氢能经济是什么？
氢能经济（Hydrogen economic）它是20世纪70年代提出的最“完美”的可持续能源解决方案之一，是以氢为媒介（制备、储存、运输和转化）的未来经济结构理念。在取之不尽的阳光下，水被分解成氢和氧。氢是一种燃烧生成水而不产生任何污染物的清洁能源，以实现环境保护、可再生和可持续发展的目标。
关闭氢能经济时代的原因
但长期以来，光解水制氢的发展一直停滞不前，“氢能经济时代”的大门似乎已经关闭。原因是氢气收集和储存的技术瓶颈抑制了光解水制氢的实际应用。氢的产生取决于光生电子和空穴分别迁移到氧化还原点，使两者之间的间距必须小于电子的平均自由程(约10~50 nm）。如此短的间距不仅使逆反应不可避免，而且使分离和收集氢气更加困难。另一方面，氢气的安全储存是一个长期的挑战。氢气(H2)与氧气(O2)混合容易发生反应，产生爆炸，非常危险。高压液化后金属储氢成本高，使用不方便。因此，在开发低成本收集氢气和安全储氢的解决方案之前，太阳能光解水制氢不能得到有效的大规模应用。
针对光解水制氢过程中反应严重、氢难以分离和储存的问题，研究人员从英国科学家安德烈·海姆爵士（诺贝尔奖得主）和中国科技大学教授吴恒安的研究工作中得到了启发：石墨烯可以隔离所有气体和液体，缺乏质量可以“打开一面”，慷慨释放。江军利用这扇大自然为质子打开的“方便之门”，设计了二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。
江军研究小组长期以来一直深入从事光催化系统的设计和模拟领域，重点关注电子运动的关键主线。通过结构设计，准确调节材料系统中的电子进化行为，提出了一系列在实验中证明有效的光催化系统设计。在三明治结构体系中，碳氮材料夹在两层官能团装饰的石墨烯中。第一原理计算表明，该系统可以同时吸收紫外线和可见光，利用太阳能产生激子，快速分离形成高能电子和空穴，分别迁移到碳氮材料和外石墨烯材料的中间。在光生空穴的帮助下，吸附在石墨烯基材料活性位点的水分子裂解并产生质子。这些产生的质子由碳氮材料上的静电场(如图偶极矩所示)驱动，可以穿透石墨烯材料，移动到内部的二维碳氮材料上，遇到电子反应产生氢气。由于石墨烯只释放氢原子（质子），光解水产生的氢不能穿透石墨烯材料，光解水产生的氢分子将安全保留在三明治复合系统中；O2、OH系统不能进入复合系统，抑制反应，实现高储氢率下的安全储氢。
该研究系统以较低的成本巧妙地抑制了光解水制氢的反应，实现了氢的有效净化，是第一个安全制氢和储氢的集成设计。文章中报道的三明治复合系统不仅限于石墨烯和碳氮材料，还可以使用其他由官能团修改的sp2杂化碳材料（如富勒烯、碳纳米管等）和光催化剂。这将为解决氢分离和安全储存和运输两个最困难的瓶颈问题，实现太阳能裂解水转化为氢能和氢能的大规模应用，为“氢能经济时代”的重新启动打开大门。
