中国科学院过程所段东平：光解水制氢是绿氢发展之路

“2024中国氢能产业创新发展大会”日前在四川省攀枝花市召开。中国科学院过程工程研究所研究员段东平在会上表示，人类利用自然能的最理想模式是采用最短路径将太阳能转换为电能，并可同时高效光解水制氢。

段东平在报告中指出，光催化制氢属于均相水分解，是最简单、成本最低的制氢方式之一。但同时，作为前沿制氢技术，光催化制氢在提高水分解效率、保持光稳定状态等方面依然面临一些挑战，且制氢过程仍需额外的能量实现氢气和氧气分离。

段东平团队通过多年研究，采用全球首次研发成功的形貌可控的纳米二十六面体钛酸锶晶体和自行研发的二次聚光系统进行光电转换发电和光催化反应制氢，设计出了高倍聚光系统里的聚光发电与催化制氢新路线，提出了晶面激发态模型与高倍聚光积发态理论，实现了可以在同一套聚光设备里根据需要发电或者制氢，并于2024年3月在河南郑州建成多面体钛酸锶聚光量子发电与聚光催化制氢一体化技术MW级示范线，助推并引领聚光量子发电与聚光催化制氢新技术和新理论的发展与推广。

据段东平介绍，钛酸锶是典型的钙钛矿结构，具有热稳定性好、光量子利用率高和紫外光吸收能力强等优点，是低密度太阳能转化为高密度化学能的理想催化材料之一。科研团队为进一步提高光电转换能力，合成出了具有中空笼状形貌且晶型稳定的新型多面体钛酸锶微纳米颗粒，其激发自由载流子能力更强、载流子寿命更长，且产生的自陷激子减弱了光载流子的复合，可显著提高光响应性与光子利用率。同时，通过钛酸锶与石墨烯、碘氧化铋、碳酸锶/硫酸锶、金属掺杂等合成复合材料，载流子分离效率得到了有效提高，且光响应范围未来也可拓展至全光域。

段东平指出，采用钛酸锶进行光催化制氢具有四方面优势：一是钛酸锶熔点高达2060℃，其稳定性和适应性好；二是多晶面的钛酸锶可激发更多的有效光电子，提高光电转换效率；三是通过使用钛酸锶材料可使紫外线在增强发电效率的同时避免对光伏系统的损坏；四是聚光太阳能与钛酸锶的四维构型结合可实现电能高效转换。

据段东平预测，到2025年通过多面体钛酸锶聚光量子发电技术，太阳能综合利用效率可达45%。

段东平表示，其团队首创的二十六面体钛酸锶及多面体中空笼状钛酸锶具有原材料独占性，目前已掌握多面体钛酸锶的制备技术，并且正在建设百吨级生产线。同时，研究团队已完成“高倍聚光-发电+光解水制氢一体化”成套技术与装备的研发，可实现千倍聚光，光解水析氢效率可达6mmol/h·g，已经实现了每立方米容器光解水制氢产率10m3/h，预计在攀枝花的制氢生产成本约为12元/kg。