突破技术瓶颈！中国科研团队对太阳能制氢催化材料改造：产氢效率提升15倍【附氢能源行业发展前景】

（图片来源：摄图网）

当全球科学家都在探索如何高效获取"绿氢"时，中国科学院金属研究所刘岗团队另辟蹊径，用稀土元素钪为二氧化钛材料注入“魔法”，通过其独特“绝技”，成功设计出具有定向光生电荷传输通道的催化材料，大幅提升了光催化水分解制氢效率。相关研究成果8日发表在《美国化学学会杂志》上。

目前，太阳能制氢主要有两种主流方式。

一种方式是太阳能电池发电再电解水。这种方式虽然效率较高，但设备复杂且成本昂贵。它需要先通过太阳能电池将太阳能转化为电能，再利用这些电能进行电解水制氢，中间环节较多，不仅增加了设备的复杂程度，也大大提高了制氢成本，限制了其大规模应用。

另一种方式是太阳光直接光解水，它借助二氧化钛等半导体材料在阳光下“一键分解”水分子。然而，二氧化钛在光解水过程中存在着严重的障碍。当二氧化钛被阳光激活时，材料内部会产生电子和空穴，这些被激活的电子和空穴就像迷失方向的赛车，在材料内部横冲直撞。绝大多数的电子和空穴在百万分之一秒内就会复合湮灭，无法有效参与水分解反应。同时，高温制备环境还容易导致氧原子“离家出走”，形成会导致电子和空穴复合的原子级缺陷，如同让“迷宫”充满陷阱，大幅降低光催化分解水效率。

中国科学院金属研究所刘岗团队对光催化分解水的催化材料进行改造，通过“元素替代”和“结构整容”巧妙地解决了上述问题。创造性地在二氧化钛材料中引入稀土元素钪，成功设计出具有定向光生电荷传输通道的催化材料，大幅提升了光催化水分解制氢效率。

他们之所以选择稀土元素钪，是因为钪离子半径与钛相近，能够顺利融入二氧化钛的晶体结构中;其价态能中和氧空位带来的电荷失衡，减少电子和空穴的复合;还能重构晶体原子排布，优化材料的性能。在引入5%钪原子后，团队成功制备出特定晶面组成的金红石相二氧化钛。这种新材料形成了“电荷高速公路”和强电场，就像为电子和空穴规划了明确的行驶路线，大大提升了光生电荷分离效率。

经过严格测试，改造后的半导体光催化材料展现出惊人的性能提升。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%关口。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。如果将该材料制作成100平方米的光催化板，一天光照时间产生的氢气，可以驱动一辆氢能汽车行驶68公里。

科研团队下一阶段的目标是把可见光下的分解水效率进一步提升，从而达到可以工业化应用的水平，助力能源结构转型升级。

我国是全球产量最大的制氢国。据中国氢能联盟发布的数据，2016-2023年，我国氢气产量呈上涨趋势，2023年全国氢能产量约3550万吨。

中国在氢能源领域的技术实力正在逐步提升，有望在未来的市场竞争中占据更有利的位置。数据显示，2024年中国氢能源专利为1642项，同比上升21.36%;2025年截至1月，氢能源专利公开数量为26项。

《“十四五”能源领域科技创新规划》中对于氢能源行业技术发展也提出了明确要求，指出在“十四五”期间要攻克高效氢气制备、储运、加注和燃料电池关键技术，推动氢能与可再生能源融合发展。

前瞻产业研究院预测：到2030年，全球氢气年产量将超过2亿吨，其中70%由低碳氢方式生产;到2050年，全球氢气年产量将超过5亿吨。

中国科学院院士欧阳明高在2025年3月29日举办的中国电动汽车百人会论坛上表示，伴随新能源技术革命，未来10-30年将形成五个10万亿级大产业，绿色氢能产业是其中之一，2050-2060年中国绿氢年需求总量约为1-1.7亿吨，仅此一项产值约2.5-5万亿。

中国工程院院士陈学东还预测中国在储氢技术领域将取得重大突破，2025年实现高压储氢技术，2030年攻克液态和固态储氢难题，到2035年实现多元化储氢产业链的自主可控。

前瞻经济学人APP资讯组

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《全球氢能源行业市场调研与发展前景预测分析报告》

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