非矿|石墨烯“绝技”解决光解水制氢难题

中国科技大学获悉，合肥微尺度物质科学国家实验室罗毅教授领导的研究小组，利用第一性原理计算，提出了首个光解水制氢储氢一体化的材料体系设计，该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点，相关成果日前发表在《自然·通讯》上。     

氢能经济是20世纪70年代提出的一个“完美”的可持续能源方案，以用之不竭的太阳光驱动，把水分解为氢气和氧气。     

针对光解水制氢过程中的逆反应严重、氢气难分离和存储的问题，研究人员从前人的研究工作得到启发：石墨烯能够隔绝所有气体和液体，却对质子能够“网开一面”，大方放行。利用这一特点设计了一种二维碳氮材料与石墨烯基材料复合的三明治结构。     

在这个三明治结构体系中，碳氮材料夹在两层官能团修饰的石墨烯中。第一性原理计算表明，利用太阳光能产生激子，光生激子迅速分离形成高能电子和空穴并分别迁移中间的碳氮材料和外层的石墨烯材料上。而吸附在石墨烯基材料活性位点上的水分子在光生空穴的帮助下，发生裂解，产生质子。这些产生的质子受碳氮材料上内建静电场驱动，可穿透石墨烯材料，运动到内部的二维碳氮材料上，并且遇到电子后反应产生氢气。     

由于石墨烯唯一放行的仅仅是氢原子（质子），而光解水产生的氢气不能穿透石墨烯材料，导致光解水产生的氢气分子将被安全地保留在三明治复合体系内，抑制了逆反应的发生，实现了高储氢率下的安全储氢。