【文/ bet365苹果版专栏作者 徐令予】

2月5日，“科学美国人”在头版显著位置发布了一篇重要文章——“科学家们为可再生氢气能源的制造开发出更好的途径” （Scientists Develop a "Better Way" to Produce Renewable Hydrogen）。文章特别指出：该项研究成果的论文已经发表在自然杂志能源专刊上，论文的第一作者是 Jing Gu 博士。

我对太阳能利用的科学研究一直有着强烈的兴趣，仔细读完上述文章后，我猜测论文第一作者很可能是位华人科学家，令我备感振奋。借助互联网，我于当天就联系到了顾竞（Jing Gu）博士。

令我十分惊奇的是：这位顾竞博士竟然是位三十刚过，从贵州大山中走出来的年轻女科学家，美国圣地亚哥州立大学化学与生物化学系的助理教授。这位年轻有为的顾竞博士的研究成果为利用太阳能提供了切实可行的新方案。

众所周知，太阳能发电技术的一个致命缺陷是受制于日夜交替和天气变化，而且大规模太阳能收集基地又远离高能耗的人口中心。收集太阳能不是主要问题，对太阳能的有效地储存和运输才是关键。虽然近年来也开发了高压直流输电、蓄水储能等各种相关技术，但这些技术都有着各种各样的缺点，它们都不是长远的理想解决方案。

而作为太阳能转换和存储的重要分支：“人工光合作用分解水制氢”技术具有广阔的应用前景。利用3-5族化合物半导体太阳能电池的“人工光合作用分解水制氢”技术开发已有近二十年的历史，这条崎岖的探索之途上的拦路虎是制备高效稳定的光阴极材料。“明知山有虎，偏向虎山行。”顾竞博士就是一位敢于上山打虎的巾帼英雄。

下面就是顾竞博士接受我远程采访的内容：

问：顾竞博士，请简单介绍一下你的最新研究成果。

答：我的最新研究成果可以归结为一句话：半导体磷化镓铟与非贵金属催化剂相结合形成廉价的光阴极材料在水分解中的机理及应用。

半导体磷化镓铟材料与砷化鎵p-n结形成的串接太阳能电池早在20年前就被证明可以应用于太阳能电解水制氢气，太阳能转化为氢气的效率可高达12％。但是该电极系统本身在水溶液的条件下非常不稳定，电极表面会发生自身的还原反应从而使电极材料腐蚀。如何稳定电极表面并且同时保持电极对水分解的催化活性是我的研究所要解决的关键。

我的研究表明可以通过原子层沉积法将二氧化钛沉积到电极表面提高电极的稳定性并进一步通过廉价的水分解催化剂使电极表面保持水分解活性。用廉价非晶态二硫化钼催化剂修饰过的半导体电极的稳定性可以与贵金属铂钌修饰过的电极表面稳定性相当。这个研究的创新性在于以往的研究虽然也尝试将二氧化钛做为光阴电极的稳定层，但是催化层一般是贵金属异相催化剂。更为关键的是，在高温加热的情况下，我们发现催化剂层二硫化钼和保护层二氧化钛形成了一个互相镶嵌的结构，进一步提高了电极的稳定性。我的研究为获取稳定的光电极材料开拓了全新的方向。

问：请你简单介绍一下人工光合作用制氢的原理。

答：人工光合作用制氢包含还原和氧化两个反应：水溶液中的光敏半导体在阳光照射下产生电子和空穴。电子进入还原催化剂后把水中的氢离子还原成氢气—这是还原反应；空穴进入氧化催化剂后把水中的氧离子氧化生成氧气—这是氧化反应。由此可知，寻找高效率的催化剂和保护层相结合是人工光合作用制氢的关键。

现在在人工光合作用领域有各种不同性能的催化剂，比如说无机的分子，固体催化剂。近年来研究的趋势是把需要合成的催化剂用生物酶，细菌等催化剂来替代，形成一种混合型催化剂。

人工光合作用制氢的原理图

氢气作为一种能源材料，制成以后可以通过燃烧获得能量。或者可以通过传输进入燃料电池内部产生电流。再或者，氢气是一种常用的化学中间体，可以通过不同的工业工程，帮助我们获得氮化物，醇类物质或者甲烷。

问：有了你的研究成果，实现人工光合作用制取氢气还有多少工作要做？

答：今天，人工光合作用制取氢气已经不是遥不可及的梦想，但是需要解决的具体问题还有非常非常之多。

从小处来看，我们必须进一步提高光阴极材料水分解的效率；必须让光阴极材料的保护层和催化剂之间互相协调合作得更好；同时要让半导体表面通过保护层和催化剂层的作用而更稳定。这都需要通过更深入的基础科学研究逐步分析解决。

从大处来看，当通过人工光合作用电解水取得氢气后，如何收集、传输和储存这些氢气；如何更好的分配和使用这些氢气。这就不仅是科学家的工作了，我们需要更多的优秀工程师和经济管理专业人士共同参与。

问：收集和利用太阳能的重大意义在哪里？

答：请先看看我们星球上的能量来源分布图。图中的各种色彩的圆圈分别代表不同的能源类型，而圆圈的大小表示该类型能源在地球上所占的份额。图中右边四个圆圈代表的都是不可再生的能源，而左边都是可再生的清洁能源。图中左边的橙色圆圈代表了全球一年能量消耗的总量，19TW，单位TW是10的12次方瓦特。这是2009年的数据，估计到到2050年会升高到30TW。

如果没有能源技术的突破，地球的不可再生能源再多只能支撑人类文明七十多年，而且在这期间这些不可再生的化石能源在燃烧过程中会严重污染我们的家园。

地球上各种能量来源的比例

请注意金黄色的太阳能，它的总量是如此巨大，图上表示的还只是太阳能投射到地球上一年的总量。经简单计算可知只要能够有效的收集和储存八十分钟的太阳能就足够支持全球一年的能源需求，而且它是完全无害的取之不尽、用之不竭的清洁能源。长年以来我们利用光电池可以有效的收集太阳能，但是储存太阳能的技术一直难有进展。“人工光合作用分解水制氢”技术可能为大量收集和储存太阳能提供最佳方案。