利用阳光产生氢能——光催化分解

日本东北大学和其他领先机构的科学家最近公布了一种光催化水分解工艺，有望彻底改变制氢方式。这种新方法利用太阳能辅助电解水，将水分解成氢分子和氧分子。因此，它有望彻底改变清洁能源领域，并为更深入地了解光催化能力打开大门。

光催化的工作原理

光催化是指利用紫外线激活其他催化剂，从而引发化学反应的过程。这是科学家们常用的一种策略，它能够更清洁地启动反应，并且无需在起始过程中使用额外的催化剂。在大多数情况下，催化剂会吸收紫外线能量，直至达到活化阶段。值得注意的是，二氧化钛 (TiO2) 是目前使用最稳定、活性最高的光催化剂。

光催化系统的当前局限性

在光催化工艺的应用方面，仍有许多研究和开发工作有待开展。该技术的一些局限性包括效率低下和电子空穴快速复合。后者会导致性能下降和额外的浪费。

光催化制氢：概述

光催化技术在水分解应用领域备受关注。科学家们指出，利用阳光将水分子分解为氢气和氧气，可以创造出一种全球范围内均可获取的清洁能源，并能扩大规模以满足社会需求。

研究概述：Janus异质双层膜的作用

该研究¹“二维异质双层过渡金属二硫属化物及其Janus结构在高效水分解中的合理设计“，探讨了光催化剂在氢电解中的应用。该研究深入探讨了如何提升光催化性能，探索了包括Janus异质双层在内的独特材料组合。

Janus异质双层在水分解中的作用

Janus异质双层是一种二维结构，因其位置不同而具有独特的特性。它们由多种材料组合而成，可以利用固有偶极子和强大的内部电场。值得注意的是，其组合方式几乎无限。然而，在本研究中，团队专注于Janus过渡金属二硫属化物（TMDC）异质双层。

资源 - 东北大学

密度泛函理论（DFT）

研究人员利用密度泛函理论（DFT）计算确定了理想的原子排列。这些模型使团队能够识别电场增强，从而追踪关键数据，包括载流子迁移率、表面化学、带隙以及合成电场和内部电场的排列。

测试材料组合的效率

科学家选择了20个最佳组合进行测试。然后，他们利用Fröhlich相互作用模型，更深入地了解声子散射和其他过程如何影响光催化性能。

主要发现：WS₂–SMoSe 效率达 16.62%

在测试了20种方案后，科学家们能够优化二维材料的电子和结构特性，从而创造出理想的解决方案。值得注意的是，团队确定WS₂-SMoSe异质双层材料的效果最佳。该材料的太阳能-氢能转换效率高达2%，远远优于之前的替代方案。

为什么光催化氢对清洁能源如此重要

清洁氢能研究的益处毋庸置疑。首先，这项技术为清洁能源生产提供了更清晰的路径，可以减少温室气体排放，减缓全球变暖。利用太阳能为清洁能源生产提供动力，是利用一种清洁能源创造另一种清洁能源的典范。

实际应用和部署时间表

这项技术有多种应用。首先，它未来可以用于家庭或车辆供电。目前已经有很多氢能动力方案。然而，在过去，获取氢气是一个普通人无法安全完成的过程。这项最新的升级可能为低成本的太阳能电解技术打开大门，这符合全球减少污染和增强能源独立的目标。

目前尚无关于这项技术何时能投入市场的具体信息。不过，可以肯定的是，距离你用自家的电解机利用太阳能发电场产生的氢气为汽车提供动力，还需要大约5到10年的时间。随着清洁能源需求的持续增长，这个时间可能会缩短。

光催化水分解研究人员

光催化水分解研究由东北大学和越南国立大学胡志明市分校（VNU-HCM）联合主办。Nguyen Tuan Hung 为该研究的主要作者，Vu Thi Hanh Thu 为共同作者。研究还显示，Nguyen Tran Gia Bao、Ton Nu Quynh Trang、Nam Thoai 和 Thang Bach Phan 为这项开创性研究提供了协助。

光催化氢技术的下一步是什么？

在打造理想的光催化系统方面，仍有许多研究工作要做。工程师们现在将致力于使这一过程更加简单，更易于公众使用。这些步骤包括缩小系统尺寸，使其更加便携、易于使用，并可融入普通家庭。

投资氢燃料领域

有几家公司在价值数十亿美元的氢燃料领域展开竞争， 都曾预测 到40.39年，该市场规模将扩大至2029亿美元。这些公司提供一系列服务，从氢气制备到现场系统、汽车发动机等等。以下是一家成功在市场上占据一席之地并保持着令人尊敬的竞争者地位的公司。

插头电源

电源插头 (PLUG -2.41％) 1997年，DTE Energy与Mechanical Technology Inc.合并后，该公司进入市场，为市场提供高性能氢燃料电池系统。该公司目前总部位于纽约州莱瑟姆，拥有3,400多名员工。

自成立以来，Power Plug 在市场上取得了长足的进步。它是第一家向欧盟客户提供商用燃料电池系统的氢动力系统制造商。此外，它还在卡车运输行业率先使用氢动力发动机。所有这些因素都体现了该公司致力于提供多样化清洁能源解决方案的愿景。

由于国际社会承诺在未来几十年大幅减少化石燃料的使用，Power Plug 占据着理想的市场渗透率。因此，如果该公司在未来几年内向公众推出光催化水分解系统，将受益匪浅。

Plug Power（PLUG）股票最新动态

光催化水分解——清洁氢气即将问世

光催化水分解研究代表着向利用多种清洁能源策略实现更多发电的转变。值得称赞的是，这支工程师团队帮助拓展了人们对光催化过程的理解，并展示了他们如何开启制氢新时代的大门。

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参考研究：

^{1. Bao, NTG, Trang, TNQ, Thoai, N., Phan, TB, Thu, VTH, & Hung, NT (2025)。 合理设计二维异质双层过渡金属二硫属化物及其Janus以实现高效水分解. ACS应用能源材料，8(8), 5209–5221。 https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00175}