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研究人员来自东京科学研究所在太阳能制氢方面取得了一项里程碑，通过一种能够捕捉长波可见光的敏化光催化剂将效率提高了一倍，达到800纳米。这一波段的光谱，即使在阴天也丰富且稳定，而传统系统对此利用不足。 该研究发表在ACS Catalysis，直接指向所谓的人工光合作用的历史瓶颈之一。 人工光合作用的挑战 利用太阳能从水中制取氢气是一个清洁而优雅的过程：无排放、无燃烧、无碳。它基于光催化剂，这些材料吸收光子并利用能量将水分解为氢气和氧气。 问题在于，大多数传统催化剂仅利用有限的太阳光谱，主要是高能可见光，而忽略了红外和近红外辐射，这在实践中是最稳定的。 锇替代钌 由前田和彦教授和研究员山本春香领导的团队决定修改一个关键元素：光敏化剂复合物的中心金属。取代只能吸收至600 nm的钌，引入了锇。 这一变化使得能够捕捉更长的波长，接近800 nm，在那里太阳辐射丰富且不太依赖理想条件。 锇引入了所谓的重原子效应，这有助于低能电子跃迁，特别是单线态-三线态跃迁。 这些跃迁允许用能量较低的光子激发电子，增加可用于推动氢气生产反应的电子数量。结果：与基于钌的系统相比，效率提高了一倍。  太阳能制氢的效率提高了。 实际影响 除了技术数据外，这一进展回应了一个实际需求：太阳光并不总是直接或完美的。在城市、高纬度地区或阴天，漫射辐射仍然存在，尤其是在长波长。 能够在这些条件下工作的光催化剂可以每天在更多地方运行更长时间，并且对方向或极端清洁的依赖性更小。 这开启了新的场景：本地氢气生产、城市立面和屋顶的整合，或与传统光伏系统的混合使用，利用今天未充分利用的光谱区段。 限制与未来 这一进展并不意味着立即的革命。锇是一种稀有且昂贵的金属，仍需努力优化稳定性、成本和可扩展性。然而，它代表了实验室与现实世界之间的桥梁，表明提高效率并不总需要更复杂的系统，而是更好设计的材料。 太阳能氢气作为能源载体 用太阳能生产的氢气是脱碳的关键。它作为储存可再生能源过剩的能源载体，减少对化石燃料的依赖，并允许脱碳难以电气化的行业，如重工业和运输。 其应用包括： 能源储存：将太阳能的间歇性转化为可用能源并稳定电网。 清洁工业：在钢铁、水泥、氨和甲醇等过程中替代煤炭和天然气。 可持续运输：通过燃料电池为车辆供能，实现零排放。 发电：用于固定和便携应用的燃料电池。 合成燃料：可以精炼以生产可再生替代品。 与化石燃料相比，其优势显而易见：零排放、可持续性和多功能性。 日本团队的工作表明，扩大人工光合作用的有效光谱具有实际且可测量的影响。虽然不能解决所有障碍，但它在通往低碳经济的道路上放置了一个关键的拼图，使太阳能氢气技术更接近于实际和日常使用。 |
