按需制氢技术实现“暗模式”生产

氢是元素周期表中最轻的元素，但也是最擅长逃逸的元素之一。由于氢原子极小，它可以从存储材料的原子级缝隙中渗出，这也是制约氢能大规模应用的主要问题之一。

中国兰州大学化学化工学院，天然产物化学国家重点实验室，甘肃省先进催化重点实验室科研团队提出了解决方案：按需制氢技术。他们开发了一种简单的化学体系，将商业三钨酸铵（Ammonium Metatungstate, W12）和石墨相氮化碳（g-C3N4）悬浮于液体中。该体系能够捕捉太阳能，并非将其转换为电能，而是直接按需生成氢燃料，甚至在黑暗环境下也能运行。

该系统具有双重优势：即使在无光环境下，也能利用太阳能；消除了高压氢气运输的危险。

根据发表在《Advanced Materials》上的研究结果，该体系在黑暗条件下的氢产率达到3,220µmol g⁻¹ h⁻¹，在自然阳光下为954µmol g⁻¹ h⁻¹，相较于同类暗光催化系统，这一表现极为突出。

植物在光合作用中实现了巧妙的能量平衡：先通过光反应捕获阳光能量，再通过暗反应利用储存的能量驱动化学过程。受到这一策略启发，科学家们一直在尝试构建人工光合作用系统，希望开发一种即便在日落后仍能运行的绿色制氢方法。

多金属氧簇（Polyoxometalates, POMs）是一类能够存储和释放多电子的金属氧簇材料，是该策略的理想候选。然而，目前基于 POM 的暗光催化制氢系统仅有少数实现，并且大多依赖复杂、难以搭建的催化体系，还常常需要外部电源。

研究团队通过静电组装法将石墨相氮化碳半导体与商业三钨酸铵结合在甲醇溶液中，形成一种悬浮体系。该体系能够同时支持光能捕获阶段与暗反应阶段，内部存储能量以驱动氢气生成。

当暴露在阳光下时，石墨相氮化碳吸收光能，触发电子产生，并将电子传递至钨 POM，起到电子储存介质的作用。液体颜色从淡黄转为蓝色，显示能量已被安全储存。

在需要按需制氢时，加入铂基催化剂即可释放储存的电子，触发化学反应生成氢气。

进一步分析表明，两种材料的能级完美匹配，接触时形成内部电场，使电子传输速度达到创纪录水平，同时增强了暗反应阶段的氢产率。

研究人员认为，该体系能够在各种天气条件下稳定制氢，并具有实际放大应用潜力。未来，该方法可实现在阳光充足地区安全制氢，并输送至能源匮乏地区，无需依赖危险的高压储氢设施。

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875?utm_source=chatgpt.com

（素材来自：兰州大学 全球氢能网、新能源网综合）