150余年前法国科幻小说作家凡尔纳在《神秘岛》中预言“水将成为终极燃料”，正逐渐由科幻照进现实。中国科学院金属研究所（以下简称金属所）所长、研究员刘岗科研团队在稀土掺杂氧化钛光催化分解水制氢研究领域取得重要进展，通过引入钪原子制备出金红石相二氧化钛光催化半导体材料，其产氢效率比目前该体系已知水平高出15倍。这项最新成果为光催化分解水制氢提供了极具可行性的材料技术路径，为推动我国能源结构升级打牢技术基础。4月8日，该成果在《美国化学会志》正式发表。
研制新型材料实现制氢性能飞跃
通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子的技术自1972年被发现后，成为能源科学研究领域的“超级明星”，引得无数科学家趋之若鹜。刘岗科研团队在光催化材料研究上锲而不舍、成果闪耀，采用“元素替代”及“结构整容”的技术思路，解决了传统二氧化钛材料的先天缺陷，大幅提升了二氧化钛材料的光生电荷分离效率和紫外光的量子利用率。
刘岗介绍，二氧化钛晶体体相布满数以亿计的由钛原子和氧原子精密排布构成的“能量接收站”，当阳光中的光子撞击时，这些“能量接收站”就会激发出携带能量的“电子-空穴对”，使得二氧化钛晶体像微型发电厂一样运转。为调控二氧化钛被激活的电子和空穴迷失方向和快速复合湮灭，科研团队引入元素周期表中钛的“邻居”——钪元素作为“改造工程师”，成功制备出颗粒表面由两类晶面组成的最为稳定的金红石相二氧化钛。这两个晶面之间形成了强度堪比太阳能电池的定向电场，相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒中架设了电荷运输的“立交桥”。
氢能被誉为21世纪的“终极能源”。“实现太阳能向化学能直接转化，关键在于如何将半导体光催化材料中的光生电荷有效分离。我们这项研究的核心就是利用二氧化钛实现太阳能到氢能转化效率大幅提升。”刘岗说。改造后的二氧化钛在性能上实现了飞跃，光生电荷分离效率提升200余倍，对波长为360纳米紫外光的光子转化为氢能的量子效率突破30%，产氢效率创造了该材料体系的新纪录。在一个水杯中投入少许改造后二氧化钛颗粒，光照下就会发生催化反应，氢气和氧气从水中分离出来。刘岗说：“将二氧化钛颗粒制作成1平方米的光催化板，一天光照时间产生的氢气约10升。”
构筑适合我国需求的材料技术发展路径
太阳能直接制绿氢技术是国际竞相发展的前沿和颠覆性低碳技术，太阳能光催化分解水技术凭借光催化高效、光吸收强、电荷分离易、催化反应快等特点，成为太阳能直接制绿氢技术中极具应用前景的技术方向。
“高潜质光解水半导体材料可能是什么？”刘岗科研团队多年来始终在追寻答案。
“如果能够将光催化分解水技术提高到可应用水平，使用的光催化材料一定要是储量丰富、环境友好、性能优越的材料。基于这种思考，我们锁定了钛基氧化物催化材料。”刘岗说。
我国钛资源储量居于世界前列，二氧化钛产能占全球总产能的50%以上。我国钪储量占全球总储量的35%，分解提纯技术水平世界领先。刘岗科研团队选取二氧化钛作为主体材料，并筛选出钪元素进行掺杂，提升其性能。刘岗认为，稀土钪掺杂氧化钛光催化分解水制氢技术，是我国两个资源储量占优元素完美结合的产物，得天独厚，打造了非常适合我国需求的材料技术发展路径。
青年科研团队
开拓独有创新道路
充满凝聚力、战斗力、创造力且朝气蓬勃的科研团队是金属所光催化分解水技术不断取得突破的关键因素和底气所在。刘岗从2004年投身光催化材料研究至今，带领副研究员康宇阳、博士研究生秦飞等青年科技人才，锚定稀土钪掺杂氧化钛的技术路径，用青年人的闯劲、韧劲、干劲，成功开拓出一条面向世界科技前沿、独有的、属于自己的科技创新之路。
科研团队在国际上首创了稀土钪元素掺杂氧化钛光催化分解水制氢技术。他们将研制高效吸收太阳光的光催化材料称为寻找叶绿素，将通过调控、组装形成可高效分离光生电荷的微介观结构称为形成叶绿体，最终集成放大生成可规模化转化太阳能的“人工树叶”。研究成果先后获得辽宁省自然科学奖一等奖、国家自然科学奖二等奖等奖项。
“科研人员既要有远大的梦想，又要有日复一日、脚踏实地行动。青年才俊不甘平庸，要勇立潮头、争先恐后。天辽地宁、沈水之阳，这有足够的底蕴、空间和强有力的政策举措。金属所有足够的力度和温度，全力支持科技创新和产业创新融合发展。我们要勇攀世界材料科技之巅，不断满足国家重大需求，推动新材料产业发展，为科技强国建设贡献更多力量。”刘岗说。
沈阳日报、沈报全媒体记者 岳雨