石墨烯「絕技」解決光解水制氫難題

記者從中國科技大學獲悉，合肥微尺度物質科學國家實驗室羅毅教授領導的研究小組，利用第一性原理計算，提出了首個光解水制氫儲氫一體化的材料體系設計，該方案具有低成本、通用性、安全儲氫的優點，相關成果日前發表在《自然?通訊》上。

氫能經濟是20世紀70年代提出的一個「完美」的可持續能源方案，以用之不竭的太陽光碟機動，把水分解為氫氣和氧氣。

針對光解水制氫過程中的逆反應嚴重、氫氣難分離和存儲的問題，研究人員從前人的研究工作得到啟發：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，卻對質子能夠「網開一面」，大方放行。利用這一特點設計了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料複合的三明治結構。

在這個三明治結構體系中，碳氮材料夾在兩層官能團修飾的石墨烯中。第一性原理計算表明，利用太陽光能產生激子，光生激子迅速分離形成高能電子和空穴並分別遷移中間的碳氮材料和外層的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位點上的水分子在光生空穴的幫助下，發生裂解，產生質子。這些產生的質子受碳氮材料上內建靜電場驅動，可穿透石墨烯材料，運動到內部的二維碳氮材料上，並且遇到電子後反應產生氫氣。

由於石墨烯唯一放行的僅僅是氫原子（質子），而光解水產生的氫氣不能穿透石墨烯材料，導致光解水產生的氫氣分子將被安全地保留在三明治複合體系內，抑制了逆反應的發生，實現了高儲氫率下的安全儲氫。

這一體系以較低的成本，巧妙地抑制了光解水制氫的逆反應發生，實現了氫氣的有效提純。將為氫能大規模應用解決最困難的氫氣分離和安全存儲運輸兩個瓶頸問題，為再次啟動「氫能經濟時代」打開了大門。

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