太陽(yáng)能是地球上最豐富的能源之一，但我們無(wú)法在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)隨意使用它。這是因?yàn)閷⑻?yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，并從日照充足的地區(qū)運(yùn)輸?shù)疥?yáng)光有限的地區(qū)，至今仍然成本高、效率低。

然而，來(lái)自甘肅省先進(jìn)催化關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)室自然產(chǎn)物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（蘭州大學(xué) ）的研究團(tuán)隊(duì)如今展示了一種全新的思路：他們可以將陽(yáng)光儲(chǔ)存在一種液體中，并在完全黑暗的條件下將其轉(zhuǎn)化為氫氣。更重要的是，這種方法在能量運(yùn)輸過(guò)程中不需要電線、電池或電網(wǎng)。

此外，此前還沒(méi)有任何使用簡(jiǎn)單、商業(yè)可獲得材料的系統(tǒng)，能夠在不依賴外部電力的情況下實(shí)現(xiàn)“先儲(chǔ)能、后制氫”。這項(xiàng)最新研究表明，這一技術(shù)瓶頸終于被突破了。

研究團(tuán)隊(duì)的系統(tǒng)由兩種廉價(jià)、現(xiàn)成的材料構(gòu)成。第一種是石墨相氮化碳，這是一種黃色粉末，能夠吸收可見(jiàn)光并作為光催化劑使用。

第二種是偏鎢酸銨，它由鎢和氧原子組成的簇結(jié)構(gòu)構(gòu)成，能夠接受并儲(chǔ)存多個(gè)電子，作用類似于一個(gè)微型可充電電池。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在水中進(jìn)行，并加入少量甲醇。

甲醇在體系中起著關(guān)鍵作用，它會(huì)吸收光照作用在氮化碳上產(chǎn)生的正電荷，從而防止電子迅速?gòu)?fù)合并消失，使電子得以被儲(chǔ)存。因此，該系統(tǒng)并不是分解純水，而是需要甲醇作為犧牲劑。

當(dāng)石墨相氮化碳受到藍(lán)光照射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，電子迅速轉(zhuǎn)移至附近的鎢簇中。隨著電子不斷累積，溶液顏色由淺黃色逐漸變?yōu)樯钏{(lán)色，這清楚表明鎢原子的價(jià)態(tài)從+6 還原為+5，太陽(yáng)能已經(jīng)以化學(xué)形式被儲(chǔ)存。

這種電子轉(zhuǎn)移之所以高效，主要源于兩個(gè)原因。在酸性條件下，氮化碳表面帶正電，而鎢簇帶負(fù)電，異性電荷的相互吸引使兩種材料緊密接觸，從而促進(jìn)電子的高效轉(zhuǎn)移。同時(shí)，兩者的能級(jí)匹配良好，電子能夠自然流動(dòng)，無(wú)需外部驅(qū)動(dòng)。在測(cè)試的多種類似材料中，這種鎢化合物表現(xiàn)出了最佳的能級(jí)匹配和性能。

當(dāng)光源關(guān)閉后，儲(chǔ)存的能量并不會(huì)消失。研究人員只需向黑暗中的溶液中加入負(fù)載在碳上的鉑催化劑。鉑為反應(yīng)提供了活性位點(diǎn)，使儲(chǔ)存的電子與水中的質(zhì)子結(jié)合，生成氫氣。

通過(guò)這種方式，太陽(yáng)能捕獲、能量?jī)?chǔ)存和氫氣生成被分離為不同步驟，并且可以在不同時(shí)間進(jìn)行。在經(jīng)過(guò)一小時(shí)光照后，該系統(tǒng)在黑暗中產(chǎn)生了 13.5 微摩爾氫氣。

其峰值制氫速率達(dá)到每克每小時(shí) 3220 微摩爾，這是目前報(bào)道的暗態(tài)光催化系統(tǒng)中的最高值。在真實(shí)陽(yáng)光條件下進(jìn)行的戶外實(shí)驗(yàn)同樣成功，在黑暗中實(shí)現(xiàn)了每克每小時(shí) 954 微摩爾的制氫速率，全程無(wú)需任何電力輸入。

先進(jìn)表征手段驗(yàn)證了該系統(tǒng)的工作機(jī)制。發(fā)光研究顯示，由于電子擁有穩(wěn)定的儲(chǔ)存位置，其壽命顯著延長(zhǎng)；光譜結(jié)果表明鎢原子在光照下捕獲電子；磁性測(cè)試僅在照光條件下檢測(cè)到被還原的鎢物種。這些結(jié)果共同證明，太陽(yáng)能確實(shí)被儲(chǔ)存并可按需釋放。

這項(xiàng)研究表明，太陽(yáng)能可以被捕獲、儲(chǔ)存，并以液體形式運(yùn)輸，隨后在無(wú)需高壓儲(chǔ)氫罐、極低溫或電力的條件下轉(zhuǎn)化為氫氣。

如果未來(lái)研究能夠證明這些被儲(chǔ)存的電子可以穩(wěn)定保存數(shù)周而非數(shù)小時(shí)，那么在日照充足地區(qū)獲取的太陽(yáng)能就有望被運(yùn)輸?shù)饺照詹蛔愕牡貐^(qū)，并在需要時(shí)轉(zhuǎn)化為燃料。

不過(guò)，該方法目前仍存在局限性，例如依賴甲醇而非純水，以及尚未驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室時(shí)間尺度之外的長(zhǎng)期儲(chǔ)存能力。未來(lái)研究有望解決這些問(wèn)題，使太陽(yáng)能運(yùn)輸從概念走向現(xiàn)實(shí)。

該研究發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875

（素材來(lái)自：Advanced-Materials 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）