​
在追求碳中和的道路上，氫氣被視為未來能源的重要組成部分，它不僅能作為清潔燃料，還能與二氧化碳反應制造可持續(xù)的塑料。然而，氫氣的大規(guī)模生產(chǎn)仍面臨著高成本和低效率的挑戰(zhàn)。如今，一項顛覆性的研究突破，或許能為這一難題帶來解答——單一催化劑高效分解水的技術，正在突破傳統(tǒng)限制，掀起一場氫能革命。信州大學的道門一成教授及其團隊，憑借將氫氣和氧氣生成催化劑合二為一的創(chuàng)新研究，獲得了2024年科睿唯安引文榮譽獎，也被認為距離諾貝爾獎僅一步之遙。

道門教授的研究不僅在催化劑領域取得了重要進展，還成功地將這一技術向?qū)嶋H應用邁出了重要一步。這項技術利用光催化劑，只需將粉末溶解在水中并暴露在光下，便可高效產(chǎn)生氫氣，并且具有顯著的能源利用效率提升。與傳統(tǒng)方法不同，光催化劑不再依賴兩個分離的催化劑，而是通過將氮化鎵和氧化鋅結合，直接在單一催化劑上實現(xiàn)水的分解，打破了光催化領域的技術瓶頸。

但這一革命性進展仍面臨諸多挑戰(zhàn)——如何擴大基材的光吸收波長，如何在保持高效率的同時實現(xiàn)商業(yè)化應用，這些都需要更多的研究和實踐來驗證。正如道門教授所言，雖然距離真正的商業(yè)應用還需幾步，但這一技術的潛力已顯而易見，未來的氫氣價格或?qū)⒁虼吮┑�，為實現(xiàn)全球碳中和目標提供強大的動力。在此背景下，這項研究不僅代表了科學的重大突破，也為新能源產(chǎn)業(yè)的未來打開了全新的發(fā)展空間。

氫催化劑技術產(chǎn)生的背景及介紹

為了實現(xiàn)碳中和（即幾乎零溫室氣體排放），我們迫切需要一種廉價且大規(guī)�？沙掷m(xù)的氫氣供應。氫氣不僅可以作為清潔能源燃料使用，還能與二氧化碳反應生成塑料等有用的材料，且氫氣本身是可重復利用的，排放過程不產(chǎn)生碳。因此，氫氣被視為解決氣候變化的重要“武器”。而其中，光催化技術有望大幅降低氫氣的生產(chǎn)成本，未來氫氣的價格可能因此大幅下降——這項技術的關鍵就在于，研究人員只需將催化劑粉末溶解在水中并暴露在陽光下，就能高效分解水并釋放氫氣。目前，一些日本科學家的研究成果已經(jīng)被認為有可能獲得諾貝爾獎。

信州大學的道門一成教授在獲得2024年科睿唯安引文榮譽獎后，談到這項技術時表示，雖然他非常期待看到技術盡快進入實用階段，但他認為還需要等待兩三年，才能真正見證這一成果的廣泛應用。這個獎項被視為通向諾貝爾獎的前奏，而水分解光催化劑的實際應用也已經(jīng)只差幾步之遙。

這項研究突破的關鍵在于光催化劑的設計。科學家們通過拓寬催化劑對光的吸收波長，顯著提升了水分解的效率。如果催化劑能吸收更多的太陽光，利用光能分解水的效率也會大幅提高。傳統(tǒng)的光催化方法需要分別使用兩種不同的催化劑來分解水，分別生成氧氣和氫氣，而道門教授的團隊通過創(chuàng)新設計，將兩者合并成一個單一的催化劑，從而大幅提高了反應效率。

2006年，道門教授曾在一篇論文中首次提出，用單一催化劑實現(xiàn)水的高效分解，這一想法獲得了廣泛的關注和高度評價。此前，分解水時生成氫氣和氧氣的兩個催化劑之間需要借助復雜的電荷轉(zhuǎn)移機制，這一直是限制反應效率提升的瓶頸。道門教授的團隊通過結合氮化鎵和氧化鋅，成功創(chuàng)造了一個能同時生成氧氣和氫氣的單一催化劑。令人驚訝的是，這種催化劑甚至能夠在能量較低的可見光下，也能有效地產(chǎn)生氫氣。

這項技術的突破為氫氣的生產(chǎn)提供了更加高效、低成本的途徑，也為實現(xiàn)碳中和目標帶來了新的希望。

挑戰(zhàn)在于擴大基材的吸收波長

挑戰(zhàn)在于如何擴大基材對光的吸收波長。在此之前，光催化技術的可行性曾遭到質(zhì)疑。但多門教授的研究論文推動了人工光合作用領域的進一步發(fā)展，許多在歐洲和美國的研究項目也開始采用相似的方法。

此外，關于水分解技術，研究者們已經(jīng)實現(xiàn)了紫外光下100%的量子產(chǎn)率。這意味著，催化劑吸收光后，幾乎所有生成的電子和空穴都能被用來進行水分解反應，極大地提高了反應效率。

本研究使用了添加鋁的鈦酸鍶作為基體材料，銠鉻氧化物復合物作為氫氣生成助催化劑，氫氧化鈷作為氧氣生成助催化劑。鈦酸鍶晶體具有優(yōu)異的電子和空穴導流性能。因此，研究團隊將氫生成促進劑附著在電子流動較好的表面，而將氧生成促進劑附著在空穴流動較好的表面，從而優(yōu)化了反應過程，避免了相互干擾。研究人員還成功地在直徑僅500納米（1納米是十億分之一米）的18面顆粒上進行了精確著色。

目前的挑戰(zhàn)是，如何在不影響性能的情況下，進一步擴大基材的吸收波長。新的材料如氮化鉭和氧化錫/鈮等已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，作為潛在的改進方案。多門教授解釋說：“通過添加新元素可以拓寬光的吸收波長，但這也可能導致晶體中產(chǎn)生更多缺陷。”

盡管如此，離實際應用還需要幾個步驟才能完成。日本擁有大量材料研究人員，他們不僅在催化劑領域有深厚的積累，還在半導體和電池等領域取得了很多進展。來自不同領域的創(chuàng)新思路可能為技術突破帶來新的機會。

在催化劑研究的同時，相關的制造工藝商業(yè)化和驗證也在同步推進。新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的一個項目中，已實際構建了一個100平方米的氫氣生產(chǎn)示范系統(tǒng)，通過排列1600塊面板。三菱化學等公司也積累了工廠設計的經(jīng)驗，目前正進行示范開發(fā)。

值得注意的是，大學的基礎研究成果并不是完成后直接交給企業(yè)，而是大學的基礎研究與產(chǎn)業(yè)的商業(yè)發(fā)展是并行推進的。關鍵在于，研究人員能否將水分解原理與工廠設計知識相結合，最終實現(xiàn)研究和商業(yè)的雙贏。