根據中國科學家的計算，紅外光(infrared light)在具有強電偶極的雙層(bilayer)觸媒協助下，能將水分子分裂成氧及氫。由於這種觸媒的製作難度很高，研究人員正在努力尋找更實用的替代品，一旦成功，這類觸媒將使更大部份的太陽光譜能用來產氫，或許能成為一個氫燃料的商品化來源。 上世紀的70年代，有科學家主張核電廠產生的電力可以用來電解(electrolysis)水，以產生大量的氫，提供運輸工具乾淨的燃料，或儲存起來，當電力的供不應求時再轉換回電力。隨著一連串的核能事故及成本調漲，核能發電日漸不受歡迎，因此目前世界上90%以上的氫都是利用石化燃料來產生。 另一種產氫方式是日本化學家Akira Fujishima及Kenichi Honda於1972年提出的光化學分解(photochemical splitting)，原理是利用觸媒粒子吸收太陽光子後產生電子-電動對，來激發水的分解以獲得氫，前題是產生電子-電洞對的能量必需大於釋放氫所需的1.23 eV。此能量對應到近紅外光子，因此理論上高於此能量的光子(約佔太陽光譜的57%)都能用來分解水。然而科學家在嘗試開發能隙稍大於1.23 eV的觸媒上一直沒有進展；有些研究團隊開發出在可見光波段操作的觸媒，可惜穩定性不足，而傳統氧化物觸媒的能隙落在紫外波段，此波段只佔太陽光譜的7%。 合肥中國科技大學的Jinlong Yang等人獨具慧眼將注意力放在太陽光譜能量低於1.23 eV的波段。此舉乍看不合理，但觸媒在運作時經常分成好幾步驟進行，而每一步所需的能量都低於全部過程所需的總能量。合肥團隊利用密度泛函原理進行數值模擬，設計出一種由氮化硼組成的雙層超薄觸媒，該觸媒的上下表面分別以氫原子及氟原子加以功能化。氟有很大的電負性(electronegativity，或譯陰電性)，吸引價電子遷移至下層表面，導致觸媒的上下表面產生約10 V的電位差。 該團隊算出此材料的能隙為0.85 eV，只能吸收紅外光子，但是當電子及電洞產生並分別遷移至材料的上下表面後，可獲得10 eV的能量差，已遠大於分解水所需的能量。他們預測來自水分子的氫離子可在上表面還原成氫氣，而氧離子會在下表面被電洞氧化生成氧氣。然而，過程中產生的氫氧負離子及氫離子會分別吸附在材料上下表面，導致電位差降低，不利光分解作用的繼續。該團隊建議以外加電場脈衝移除這些離子，不過這得花費額外的能量，降低反應的效率。 要在現實中製造出上述模擬觸媒，研究人員得先製作兩層單原子層的氮化硼，並將其表面分別功能化，然後再將它們背對背接起來，過程不僅困難而且所費不孜。合肥團隊目前正與實驗學家合作，希望能研發出具有相同效果的替代結構。詳見近期的Physical Review Letters。 |