太陽能是地球上最豐富的能源之一，但我們無法在任何時間、任何地點隨意使用它。這是因為將太陽能儲存起來，并從日照充足的地區(qū)運輸到陽光有限的地區(qū)，至今仍然成本高、效率低。

然而，來自甘肅省先進催化關鍵實驗室自然產物化學國家重點實驗室（蘭州大學 ）的研究團隊如今展示了一種全新的思路：他們可以將陽光儲存在一種液體中，并在完全黑暗的條件下將其轉化為氫氣。更重要的是，這種方法在能量運輸過程中不需要電線、電池或電網。

此外，此前還沒有任何使用簡單、商業(yè)可獲得材料的系統(tǒng)，能夠在不依賴外部電力的情況下實現“先儲能、后制氫”。這項最新研究表明，這一技術瓶頸終于被突破了。

研究團隊的系統(tǒng)由兩種廉價、現成的材料構成。第一種是石墨相氮化碳，這是一種黃色粉末，能夠吸收可見光并作為光催化劑使用。

第二種是偏鎢酸銨，它由鎢和氧原子組成的簇結構構成，能夠接受并儲存多個電子，作用類似于一個微型可充電電池。整個反應過程在水中進行，并加入少量甲醇。

甲醇在體系中起著關鍵作用，它會吸收光照作用在氮化碳上產生的正電荷，從而防止電子迅速復合并消失，使電子得以被儲存。因此，該系統(tǒng)并不是分解純水，而是需要甲醇作為犧牲劑。

當石墨相氮化碳受到藍光照射時，會產生電子—空穴對，電子迅速轉移至附近的鎢簇中。隨著電子不斷累積，溶液顏色由淺黃色逐漸變?yōu)樯钏{色，這清楚表明鎢原子的價態(tài)從+6 還原為+5，太陽能已經以化學形式被儲存。

這種電子轉移之所以高效，主要源于兩個原因。在酸性條件下，氮化碳表面帶正電，而鎢簇帶負電，異性電荷的相互吸引使兩種材料緊密接觸，從而促進電子的高效轉移。同時，兩者的能級匹配良好，電子能夠自然流動，無需外部驅動。在測試的多種類似材料中，這種鎢化合物表現出了最佳的能級匹配和性能。

當光源關閉后，儲存的能量并不會消失。研究人員只需向黑暗中的溶液中加入負載在碳上的鉑催化劑。鉑為反應提供了活性位點，使儲存的電子與水中的質子結合，生成氫氣。

通過這種方式，太陽能捕獲、能量儲存和氫氣生成被分離為不同步驟，并且可以在不同時間進行。在經過一小時光照后，該系統(tǒng)在黑暗中產生了 13.5 微摩爾氫氣。

其峰值制氫速率達到每克每小時 3220 微摩爾，這是目前報道的暗態(tài)光催化系統(tǒng)中的最高值。在真實陽光條件下進行的戶外實驗同樣成功，在黑暗中實現了每克每小時 954 微摩爾的制氫速率，全程無需任何電力輸入。

先進表征手段驗證了該系統(tǒng)的工作機制。發(fā)光研究顯示，由于電子擁有穩(wěn)定的儲存位置，其壽命顯著延長；光譜結果表明鎢原子在光照下捕獲電子；磁性測試僅在照光條件下檢測到被還原的鎢物種。這些結果共同證明，太陽能確實被儲存并可按需釋放。

這項研究表明，太陽能可以被捕獲、儲存，并以液體形式運輸，隨后在無需高壓儲氫罐、極低溫或電力的條件下轉化為氫氣。

如果未來研究能夠證明這些被儲存的電子可以穩(wěn)定保存數周而非數小時，那么在日照充足地區(qū)獲取的太陽能就有望被運輸到日照不足的地區(qū)，并在需要時轉化為燃料。

不過，該方法目前仍存在局限性，例如依賴甲醇而非純水，以及尚未驗證實驗室時間尺度之外的長期儲存能力。未來研究有望解決這些問題，使太陽能運輸從概念走向現實。

該研究發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202519875

（素材來自：Advanced-Materials 全球氫能網、新能源網綜合）