液态储能系统：无需电力即可储存太阳能并制氢

太阳能是地球上最丰富的能源之一，但我们无法在任何时间、任何地点随意使用它。这是因为将太阳能储存起来，并从日照充足的地区运输到阳光有限的地区，至今仍然成本高、效率低。

然而，来自甘肃省先进催化关键实验室自然产物化学国家重点实验室（兰州大学 ）的研究团队如今展示了一种全新的思路：他们可以将阳光储存在一种液体中，并在完全黑暗的条件下将其转化为氢气。更重要的是，这种方法在能量运输过程中不需要电线、电池或电网。

此外，此前还没有任何使用简单、商业可获得材料的系统，能够在不依赖外部电力的情况下实现“先储能、后制氢”。这项最新研究表明，这一技术瓶颈终于被突破了。

研究团队的系统由两种廉价、现成的材料构成。第一种是石墨相氮化碳，这是一种黄色粉末，能够吸收可见光并作为光催化剂使用。

第二种是偏钨酸铵，它由钨和氧原子组成的簇结构构成，能够接受并储存多个电子，作用类似于一个微型可充电电池。整个反应过程在水中进行，并加入少量甲醇。

甲醇在体系中起着关键作用，它会吸收光照作用在氮化碳上产生的正电荷，从而防止电子迅速复合并消失，使电子得以被储存。因此，该系统并不是分解纯水，而是需要甲醇作为牺牲剂。

当石墨相氮化碳受到蓝光照射时，会产生电子—空穴对，电子迅速转移至附近的钨簇中。随着电子不断累积，溶液颜色由浅黄色逐渐变为深蓝色，这清楚表明钨原子的价态从+6 还原为+5，太阳能已经以化学形式被储存。

这种电子转移之所以高效，主要源于两个原因。在酸性条件下，氮化碳表面带正电，而钨簇带负电，异性电荷的相互吸引使两种材料紧密接触，从而促进电子的高效转移。同时，两者的能级匹配良好，电子能够自然流动，无需外部驱动。在测试的多种类似材料中，这种钨化合物表现出了最佳的能级匹配和性能。

当光源关闭后，储存的能量并不会消失。研究人员只需向黑暗中的溶液中加入负载在碳上的铂催化剂。铂为反应提供了活性位点，使储存的电子与水中的质子结合，生成氢气。

通过这种方式，太阳能捕获、能量储存和氢气生成被分离为不同步骤，并且可以在不同时间进行。在经过一小时光照后，该系统在黑暗中产生了 13.5 微摩尔氢气。

其峰值制氢速率达到每克每小时 3220 微摩尔，这是目前报道的暗态光催化系统中的最高值。在真实阳光条件下进行的户外实验同样成功，在黑暗中实现了每克每小时 954 微摩尔的制氢速率，全程无需任何电力输入。

先进表征手段验证了该系统的工作机制。发光研究显示，由于电子拥有稳定的储存位置，其寿命显著延长；光谱结果表明钨原子在光照下捕获电子；磁性测试仅在照光条件下检测到被还原的钨物种。这些结果共同证明，太阳能确实被储存并可按需释放。

这项研究表明，太阳能可以被捕获、储存，并以液体形式运输，随后在无需高压储氢罐、极低温或电力的条件下转化为氢气。

如果未来研究能够证明这些被储存的电子可以稳定保存数周而非数小时，那么在日照充足地区获取的太阳能就有望被运输到日照不足的地区，并在需要时转化为燃料。

不过，该方法目前仍存在局限性，例如依赖甲醇而非纯水，以及尚未验证实验室时间尺度之外的长期储存能力。未来研究有望解决这些问题，使太阳能运输从概念走向现实。

该研究发表于期刊《Advanced Materials》。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875

（素材来自：Advanced-Materials 全球氢能网、新能源网综合）