光催化新魔法 將海水變成燃料

怎樣從水中提取燃料？現在廣為人知的一項技術就是電解水逆反應，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫通過陰極向外擴散和電解質發生反應後，放出電子通過外部的負載到達陽極，這種技術原理目前被廣泛應用於氫燃料電池上。

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隨著環境污染的日益嚴重，人們開始嘗試越來越多獲取清潔能源的方案來替代傳統的煤炭和石化燃料，從國家近期頒佈的新能源車換代計畫和習近平總書記在十九大報告中多次提到了環境保護方針來看，未來的中國將不遺餘力地為恢復藍天綠水而努力，環保材料的市場潛力不可估量。

中鎢線上新聞中曾多次報導有關於鎢催化劑的新聞，最多的莫過於氫能源汽車了。相對於鋰電池汽車，用氫燃料電池作汽車動力無污染環境的有害成份，是名副其實的“綠色燃料”汽車。只是，氫能源車的成本問題仍存在瓶頸，目前製造氫燃料的過程相當昂貴，並且缺乏現有的基礎設施以支持，但這應該也只是時間問題。近來，就有美國媒體報導，有科學團隊在水制氫工藝中取得了重大突破，他們從海水中成功分離出了氫燃料，而且通過技術改進使制氫成本大幅降低，那到底是用了什麼"新魔法"呢？我們接著往下看。

目前制氫方法不僅效率低，而且成本高，需要用到不可再生的天然氣（燃料），但是納米科技的出現則為制氫技術提供的新的創造方法。近日，美國佛羅裡達大學（UCF）的科學團隊開發了一種突破性的混合納米材料，可以利用現有的綠色能源，太陽能的力量將海水變成氫燃料。

科學家所說的技術原理就是我們國內常用的光催化技術，這種方法經常被用於處理廢水。光催化的核心就是光催化劑。鈦、鎢、鉍都是常用的光催化材料，但這一次，美國科學家將它們用於製造能源。

太陽能氫分裂是許多研究人員多年來不懈努力的課題。據華裔科學家楊先生介紹：“團隊已經開闢新的技術領域來分解真正的水，它不是實驗室的純淨水，而是占地球總表面積70%的海水。

為了產生氫燃料，科學家需要一種光催化劑，這種材料暴露於陽光下就能發生化學反應。但考慮到海水的腐蝕性和難度，楊先生需要一種獨特耐用的光催化劑，它是制氫成功的關鍵，那會是什麼材料呢？

這是一種混合的單層金屬二維納米材料，科學家首先使用超薄的納米二氧化鈦，二氧化鈦是一種常見的光催化劑材料，在二氧化鈦中雕刻納米孔，形成載體。然後再使用二硫化鎢（鉬）的納米片，二硫化鎢和二硫化鉬是近年來倍受關注的單層半導體過渡金屬材料，因其是直接帶隙的半導體，量子產率高，並具有顯著的穀極化效應，在光電應用領域具有比石墨烯更好的作用。

將二硫化鎢塗覆二氧化鈦的納米空穴上，兩者結合，光催化效果大幅提升，效果是單獨二氧化鈦催化劑的兩倍以上，因為可以將有限範圍的光轉化為能量，並將紫外—可見光轉化為近紅外光波長，成為更廣泛的範圍。

楊先生說“有了這種高效的光催化劑，我們可以從光線中吸收比常規材料更多的太陽能，並通過技術將太陽能轉化成氫能源，佛羅裡達州周圍的海水很多，陽光很好，如果最終實現工業化，將為佛羅裡達州的經濟提供增長點，團隊對此很有信心。

在許多情況下，從太陽能生產化學燃料是比太陽能電池板發電更好的解決方案。與傳統方法比較，楊先生團隊所用的光催化制技術制氫將更加容易和便宜，而且也可以將電儲存在電池中，容易儲存和運輸。當然，從海水中提取氫燃料只是開始，目前楊先生的團隊仍在繼續研究，他們最終的目標是從廢水中制氫，如果這一宏願能夠成功，那將是有利於全人類的一項無比重要的科學財富。