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水，化學(xué)分子式H2O，氫和氧的結(jié)合。從水中分離氫并非難事。然而，氫氣的收集和儲(chǔ)存一直是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，抑制了光解水制氫的實(shí)際應(yīng)用。日前，中國(guó)科大的學(xué)者們破解了這一難題，該校微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室江俊教授、趙瑾教授合作，利用第一性原理計(jì)算，提出了光解水制氫儲(chǔ)氫一體化的材料體系設(shè)計(jì)，該方案具有低成本、通用性、安全儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)。

 光解水制氫發(fā)展一度停滯

 早在20世紀(jì)70年代，就有人提出了一個(gè)氫能經(jīng)濟(jì)這一看似可持續(xù)方案。以用之不竭的太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)，把水分解為氫氣和氧氣。

 “氫氣的產(chǎn)生，依賴(lài)于光生電子和空穴分別遷移到氧化和還原位點(diǎn)，使得二者間距必須小于電子的平均自由程，也就是10—50nm。如此短的間距不僅導(dǎo)致逆反應(yīng)的發(fā)生無(wú)法避免，也增加了分離和收集氫氣的困難?！敝锌拼笙嚓P(guān)研究人員介紹說(shuō)，另一方面，氫氣的安全存儲(chǔ)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。氫氣與氧氣混合極易爆炸，十分危險(xiǎn)。而常用的高壓液化后金屬儲(chǔ)氫成本高，使用不便。因此，在開(kāi)發(fā)出低成本收集氫氣和安全儲(chǔ)氫的解決方案之前，太陽(yáng)能光解水制氫無(wú)法得以有效的大規(guī)模應(yīng)用。

  研究實(shí)現(xiàn)氫氣有效提純

  研究人員從諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、英國(guó)科學(xué)家安德烈·海姆爵士和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授的研究工作得到啟發(fā)：石墨烯能夠隔絕所有氣體和液體，卻對(duì)質(zhì)子能夠“網(wǎng)開(kāi)一面”，大方放行。利用這一大自然給質(zhì)子開(kāi)的“方便之門(mén)”，江俊等設(shè)計(jì)了一種二維碳氮材料與石墨烯基材料復(fù)合的三明治結(jié)構(gòu)。

 在這次的三明治結(jié)構(gòu)體系中，碳氮材料夾在兩層官能團(tuán)修飾的石墨烯中。在過(guò)程中，石墨烯僅僅為氫原子放行，而光解水產(chǎn)生的氫氣不能穿透石墨烯材料，導(dǎo)致光解水產(chǎn)生的氫氣分子將被安全地保留在三明治復(fù)合體系內(nèi)；同時(shí)O2，OH等體系也無(wú)法進(jìn)入復(fù)合體系，抑制了逆反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了高儲(chǔ)氫率下的安全儲(chǔ)氫。