通过常压海水分解实现太阳能制氢

用海水和阳光制造清洁燃料

地球上大部分水是咸水，然而几乎所有将水分解为氢燃料的技术都需要净化的淡水和复杂设备。该研究描述了一种新型固体材料，能够在普通海水和阳光下、常压条件下高效产生氢气。通过重新设计一种流行光催化剂中电荷的迁移方式，研究人员向可扩展的沿海“太阳燃料农场”迈出了一步，该概念可将海洋转化为巨大的可再生能源来源。

为什么海水对未来能源很重要

氢是一种清洁燃料：燃烧时产生的是水而不是二氧化碳。制造氢的一个有前景的方法是让光吸收固体将水分解为氢和氧。然而，大多数现有体系需要精心净化的水，并且常在部分真空下运行以防止反应逆转。这样的组合既昂贵又难以扩展到实现有意义能源产出所需的大规模面积。鉴于约96.5%的地球水体在海洋中，实用技术必须能直接在海水中、户外、常压条件下工作。

构建更好的光驱催化剂

团队将注意力集中在聚合碳化氮上，这是一种无金属、相对廉价的材料，已知能在光照下驱动产氢反应。它的主要弱点是吸光后电子与空穴强烈相互吸引，容易在发生有用化学反应前复合。为了解决这一问题，研究人员将富电子的“芘”单元通过称为π-桥的小芳香连接件缝合到超薄的碳化氮片上。由此形成了一个供体–桥–受体框架，其中电子自然从芘供体迁移到碳化氮网络，在线性材料内建立了电荷的内在推–拉效应。

新材料在海水中的工作原理

在几种设计中，采用联苯连接子的版本（称为 UPy2）表现最佳。详细的光学和超快激光测量表明，UPy2 降低了束缚电子–空穴对的能量并显著延长了分离电荷的寿命。换言之，一旦阳光激发材料，电子与空穴会分开并在足够长的时间内保持分离，从而参与化学反应。由供体–桥–受体结构产生的内建电场有助于将电子扫向有利于氢形成的区域，并将空穴引导到可以安全耗尽的位点。

海水离子作为隐藏的助力

真实海水含有钠、镁、钙等离子，以及此处用于耗尽空穴的有机助剂三乙醇胺。计算和实验表明，重新设计的碳化氮在其环状“七嗪”单元周围积累了额外电子。这种额外的负电荷使其特别善于吸引来自海水的带正电的金属–三乙醇胺络合物。一旦结合，这些络合物能够快速耗尽空穴，进一步减少复合并允许更多电子被引导用于将水中的质子转化为氢气。即使是在表面缓慢形成的镁化合物，看起来也在协助电荷传递，而不是单纯地堵塞催化剂表面。

从实验室反应器到阳光下的海水

在模拟阳光的受控测试中，UPy2 在天然海水中驱动的产氢速率远超普通碳化氮，并且是在开放空气中无保护气体条件下进行的。研究人员随后将体系放大到一个直径20厘米的浅盘式反应器，注满海水并置于室外。在真实的阳光下，这一简单装置产生了足以收集、分析甚至点燃的氢气，且均在常压下完成。这项工作表明，通过精确引导光生电荷在固体内的迁移，并利用海水中已存在的离子，可以将一种常见且稳定的材料转变为一种可用于大规模太阳驱动海水制氢的实用平台。

引用: Li, K., Xiao, T., Tang, J. et al. Solar hydrogen production through ambient-pressure seawater splitting. Nat Commun 17, 2836 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69583-x

关键词: 海水制氢, 太阳燃料, 光催化剂设计, 碳化氮, 绿色能源