“惟江上之清风，与山间之明月，耳得之而为声，目遇之而成色，取之无尽，用之不竭。是造物者之无尽藏也。”好比苏轼所言，如果人类能利用风能、太阳能，将水、空气转化成燃料，真是近乎“完美”的能源方案。

　　如今，在“双碳”背景下，清洁低碳是我国能源产业的发展方向。其中，氢气因其燃烧热值高、燃烧产物无污染，是未来清洁能源的首选。如何以最小的能量代价，将水裂解获得氢气，更是全球能源领域科学家们聚焦的研究热点。

　　浙江工业大学郑华均教授团队长期致力于光/电催化研究。近日，该团队创制的高性能光催化材料，在室温下将水裂解获得氢气。借太阳一束光，沸腾而出的是洁净的氢，听起来是不是很神奇？本期科学汇，我们邀请了负责这个项目具体研究的时晓伟副教授开讲，他将带领同学们去一探究竟。

　　空间站的氧气从哪来

　　初中课本上有答案

　　2021年10月，神舟十三号载人飞船搭载着“太空出差三人组”顺利进入太空。根据任务安排，三位航天员将在太空中驻留6个月，很快，他们将返回地球。

　　大家都知道，去高原地区游玩，越往高处空气越稀薄，很多人需要吸氧。宇宙空间可比高原高多了，地球周围的宇宙空间，最低高度大约是10万米，那里几乎没有空气了，气压甚至是地面的百万分之一。

　　驻留空间站那么长时间，航天员们呼吸的氧气从何而来？其实，办法有很多：从地面直接带氧气罐；使用固体燃料氧气发生器，通过化学反应产生氧气；还可以通过电解水制氧，这种方式在地面很少用，却是空间站中提供氧气非常重要的手段。

　　据报道，国际空间站的氧气发生器就是电解水的制氧设备。在空间站，巨大的太阳能电池板可以供应免费的电力，而作为原料的水，可以从地球上通过补给船运送到空间站，还可以通过冷凝器回收机舱空气中的水蒸气，甚至使用航天员的尿液过滤和回收。

　　对于电解水，初中的同学们应该都不陌生，而且大家都要动手做实验：在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

　　那么，在一定条件下，水为什么能分解成氢气和氧气呢？

　　自然界有一条重要的定律，那就是物质守恒。物质在化学反应过程中原子种类不变，数目不增不减，只是发生重新结合，从一种连接方式转化为另外一种连接方式，就像一个班级调换座位后重新划分小组一样，打乱又重组，但班里的人没有变。

　　如果我们想要得到氧气和氢气，那么制备它们的原料也要含有同样的元素，即氧、氢，而每个水分子就包含一个氧原子和两个氢原子。水分解成氢气和氧气这个过程，化学方程式可以一目了然：2H2O =2H2↑+O2↑

　　阳光+水=清洁能源

　　光催化材料有新进展

　　对于空间站上的宇航员而言，分解水的目的，主要是为了得到氧气，伴随产生的氢气可以排放到太空中。但对于地面上的人而言，如何将水裂解获得氢气，才是化学家们孜孜以求的事情。

　　人类正在从化石能源时代加速跨入可再生能源时代，如果能将阳光、水、空气等变为燃料，就仿佛掌握了“无中生有”的能源密码。而氢气，则被称为未来清洁能源的首选。

　　作为清洁能源，氢气的优点突出：与传统化石燃料不同，氢气和氧气可以通过燃烧产生热能，也可以通过燃料电池转化成电能，而转化过程只产生水，并不产生温室气体或细粉尘；氢气热值高，是同质量化石燃料的3倍；氢的来源很多样，通过化石燃料、电解水、核能、光催化等多种方式都能制取……

　　但需要注意的是，想要让水分解成氢气和氧气，有一句前提是“在一定条件下”。水的能级比较低，状态比较稳定，在自发的情况下是不会分解为氢气和氧气的，重新变成燃料必然要付出巨大的能量代价，比如说电解水就是利用电能来促使这个反应进行。

　　从能量的角度考虑，在燃料制备过程中，太阳能无疑是更理想的能量来源。太阳能的潜力是巨大的，仅1%到达地球干旱地区的太阳辐射就足以满足全球能源消耗。

　　现如今，太阳能向燃料的转化主要有两种形式：一种先将太阳能转化为热或电，再耦合其他技术制造燃料；另一种是直接利用光催化剂，将太阳能转化为化学能。

　　这其中，如何开发具有高选择性、高反应速率和高稳定性的材料，有效地将太阳能转换成我们可利用的燃料是目前该领域面临的重要挑战。比如，高性能光催化剂是光催化裂解水产氢的关键。

　　此次，浙工大郑华均教授团队在光催化产氢领域取得新进展，就是制备出了高性能的光催化材料。

　　通常，科研人员通过在光催化剂表面负载贵金属（例如铂、钯、金）纳米颗粒来提高材料的光催化产氢性能。但贵金属材料在自然界含量稀少，价格昂贵，制约了其大规模推广使用。因此，如何使用尽可能少的贵金属实现催化性能的大幅提高是光催化产氢面临的重要课题。

　　此次，浙工大团队利用光化学沉积法在二维硫铟锌纳米片表面构筑了类似于金字塔形状的贵金属铂单原子。当贵金属铂的质量分数仅为0.26%，即在100毫克催化剂中铂的质量仅0.26毫克，在催化剂用量20毫克的前提下，该材料在可见光下的产氢速率为每小时350.1毫摩尔，是单纯二维硫铟锌纳米片的17.8倍，较成功地解决了光催化产氢难题。

　　在浙江工业大学的实验室里，研究人员将催化剂在玻璃片上制备成薄膜后，在可见光照射和模拟太阳光下可以看到明显的气泡产生，利用太阳能通过光催化顺利在室温下分解水产氢。