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左一为传统二氧化钛材料，左二至右一为引入钪原子的新型二氧化钛材料。中国网 王虔/摄

钪掺杂氧化钛晶体结构和光解水反应示意图。澳门赌场金属研究所供图

澳门赌场金属研究所刘岗团队研究发现，引入5%的钪原子制备出的新型二氧化钛材料，能够显著提升光催化分解水制氢的效率，对于能源结构升级具有重要意义。相关成果于4月8日发表在《美国化学会会刊》。

当前，人类能源逐步向“贫碳富氢”方向发展，由传统燃料向清洁燃料转变。太阳能直接制绿氢是国际竞相发展的前沿技术。太阳能制氢主要有两种方式：一种是太阳能电池发电再电解水，其效率高但设备复杂且昂贵；另一种是太阳光直接分解水，通过二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子，获取氢气，被称为“光催化分解水”技术。当二氧化钛在水环境中受到阳光照射时，就可以像微型发电厂一样运转，分解水释放出氢气。但是，传统二氧化钛由于材料结构的原因，制氢转化率低下。

刘岗团队研究发现，解决问题的关键在于“元素替代”及“结构整容”。他们选择了元素周期表中钛的邻居——钪（Sc）作为改造工程师。钪是稀土元素，钪离子半径与钛相近，不会造成材料结构畸变；同时，钪的稳定价态恰好能中和传统二氧化钛材料在高温制备下产生的电荷失衡；钪原子在新材料表面还能重构晶体原子排布，得到特定的晶面结构。

通过引入5%的钪原子，研究团队成功制备出颗粒表面由{101}和{110}两类晶面组成的金红石相二氧化钛。两个晶面之间形成了强度堪比太阳能电池薄膜中的定向电场（约1kV/cm），这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”。改造后的二氧化钛，光生电荷分离效率提升200余倍，对波长为360nm紫外光的量子利用率突破30%。在模拟太阳光下，其产氢效率比已报道的二氧化钛高出15倍，创造了该材料体系的新纪录。

刘岗介绍，我国在二氧化钛及其后续光催化材料的发展及工业应用方面具有得天独厚的产业优势。中国二氧化钛产能占全球50%以上，已形成完整的产业链；钪在地壳中主要以稀土伴生矿的形式出现，中国稀土钪的储量位居世界前列，稀土分离提纯技术也居于领先水平。“研究人员把我国资源储量具有优势地位的两类元素结合，把传统二氧化钛的功能从弱提升到强，希望吸引更多的科研人员加入到二氧化钛光催化材料的研究中，把二氧化钛的材料性能做得更高，为将来的应用奠定材料基础。”

刘岗介绍，目前新型二氧化钛材料仅对紫外光有接收转化作用，接下来他们将致力于让材料对波长更长的可见光产生作用，进一步提升产氢效率。“我们希望再通过10年左右的努力，把材料在可见光下的量子效率也能做到30%以上。”他以能够进行光合作用的植物进行类比：制备出可高效吸收太阳光的光催化材料相当于有了“叶绿素”；以此为基础，调控组装出可高效利用光生电荷的微介观结构相当于组成了“叶绿体”；这两项研究目前均分别取得了实质性进展，未来，科研人员将研究把“叶绿体”集成放大、进行系统性能提升，制备出可规模化进行太阳能转化的“人工树叶”。