把水变成清洁能源“氢燃料”，只需阳光照射？这个曾经的科学设想，正被科研人员一步步变为现实。日前，中国科学院金属研究所刘岗研究员团队在光催化分解水制氢领域取得重要突破，通过稀土钪掺杂技术，成功将二氧化钛的紫外光解水制氢效率提升15倍。这一成果为太阳能大规模制氢提供了新材料方案，相关研究成果8日发表于《美国化学会会刊》。
150年前，科幻作家凡尔纳曾预言“水将成为终极燃料”。科学家们一直努力发展能将这个预言变为现实的各种可能的技术，其中包括通过阳光直接分解水获取氢气。与传统的“太阳能发电+电解水”制氢相比，光催化分解水能直接用阳光“一键产氢”，设备简单且成本低廉。然而，自1972年发现二氧化钛的光解水特性以来，如何阻止光生电荷快速复合一直是世界性难题——就像一场在迷宫中进行的赛车，绝大多数电子还未抵达终点就已湮灭。
研究团队创新性地选用稀土元素钪作为“改造工程师”，通过其独特的原子排布能力，在二氧化钛表面构建出两条“电荷高速公路”：{101}晶面专供空穴通行，{110}晶面则负责电子运输。实验显示，掺杂5%钪的二氧化钛不仅消除了材料内部的电荷陷阱，还形成了强度达1kV/cm的定向电场，使光生电荷分离效率提升200倍，对紫外光的量子效率突破30%。
“这相当于在数百纳米大小的二氧化钛颗粒里架起了立交桥。”刘岗解释，若将新材料制成1平方米的光催化材料面板，每日太阳光照可产生约10升的氢气。但他也坦言：“这只是‘半场胜利’，目前我们只是利用了占太阳光5%的紫外光，如何用好占43%的可见光是我们的下一个攻关方向。”
“这项研究为设计高效光催化材料提供了新思路，随着效率进一步提升，太阳能光解水制氢有望成为绿色能源体系的重要拼图。”刘岗展望。
