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在阳光或一缕LED紫外光的照射下，在玻璃烧杯中加入一点白色粉末，无需加热或其他能量，烧杯里的水可以源源不断地产生氢气，这令人惊讶。
经过数百个小时的实验，这种白色粉末并没有衰减。在云南大学材料与能源学院实验室，你可以看到此等“美事”。
在碳达峰、碳中和的背景下，清洁氢能已成为未来能源的重要方向。高效、低成本，特别是光解水制氢，是人们梦寐以求的发展目标。2022年1月10日，国际著名期刊《自然·通讯》发表了云南大学柳清菊教授团队与伦敦大学唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作的重要研究成果——用单原子铜锚定二氧化钛，成功制备新型光催化剂，分解水制氢量子效率高达56%，被审稿人称为世界纪录。
这意味着水变氢有了一条实用的新路径。
创新制氢提供了新的催化材料和新的方法。
氢能是一种清洁无污染的可再生能源，燃烧值高，可达到每公斤140兆焦耳，来源丰富，燃烧产品无二次污染，有望取代石油和天然气，因此受到世界广泛关注。如果能够大规模实际应用，将为碳达峰、碳中和目标的顺利实现做出实质性贡献。
众所周知，一个水分子中有两个氢原子和一个氧原子。氢原子是氢气的重要来源。
“目前，制氢的主要方法是化石能源制氢和电解水制氢，但这两种方法都需要消耗传统的能源。”云南大学柳清菊教授表示，化石燃料制氢和二氧化碳排放量大，每1公斤氢将产生约10公斤二氧化碳；电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在当今日益严重的环境和能源问题中，开发清洁、可持续、低成本的制氢技术，促进氢能的发展尤为迫切和重要。”柳清菊表示，利用光催化技术和太阳能驱动水分解制氢是一种非常有前途的新方法。
自1972年以来，前人发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来，光解水制氢一直受到学术界和工业界的共同关注和重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下，光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁为导带，形成光生电子-空穴对。空穴和电子迁移到材料表面，与表面吸附的水分子发生氧化还原反应，即电子和水的还原反应产生氢气，空穴氧化水产生氧气。
然而，由于电子带负电，空穴带正电，光催化材料中光照所产生的电子-空穴容易复合，导致产氢量子效率低下，严重阻碍了光解水制氢的发展。因此，如何防止电子-空穴复合，提高光催化制氢效率，已成为国际光催化研究领域的重大挑战之一，也是制约光催化制氢技术实用性的瓶颈。
为此，国际上材料、化学、能源等领域的大量研究人员被吸引从事这种新方法和新技术的研发，其中光催化材料是核心。新材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。
为了解决瓶颈问题，研究团队另辟蹊径。为光催化制氢技术插上轻盈有力的翅膀，也成为柳清菊团队十多年的目标。
创新理念，新型光催化材料设计制备突破瓶颈。
金属单原子催化剂是近年来发展迅速的新型催化剂。
与传统的金属催化剂相比，金属单原子催化剂中的原子以单一的形式负载在载体上，可以充分参与催化反应，最大限度地提高反应活性中心，利用效率接近100%，理论上可以提高催化活性，降低成本。但由于单原子具有极高的表面能，在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、使用寿命短、制备成本高，阻碍了其实际应用。
“具有光催化作用的二氧化钛是钛和氧规则排列的晶体。通过独特的合成工艺，我们在其中生成了大量的钛空位。”柳清菊向记者解释说，有了这些钛空位，可以请铜离子来帮忙“补位”。
“研究的核心是通过钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成，开发出比表面积大、钛空位丰富的二氧化钛纳米材料，锚定过渡金属铜单原子作为载体，使铜和二氧化钛形成牢固的‘铜-氧-钛’键。”柳清菊介绍，在光催化制氢反应过程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化极大地促进了光生电子-空穴的分离和传输，大大提高了光生电子的利用率，突破了产氢量子的效率，达到56%。这一突破得到了欧洲科学院院士、伦敦大学光催化与材料化学终身教授唐军旺团队的验证。
柳清菊教授向记者透露，论文发表过程中还有一个小插曲，“提交后送审，一些评估专家认为我们的量子效率如此之高，令人难以置信。然后我们提供了原始的检测数据和氢生产的真实视频，以消除评审人的疑虑。”
成本大幅下降，大规模光催化制氢不是梦。
氢能是未来有望取代石油和天然气的清洁能源，应用广泛。
国际氢能委员会预测，氢能将在氢燃料电池汽车等交通领域贡献28.6%、化工原料24.7%、工业能源20.8%，建筑14.3%、发电11.7%。
碳达峰、碳中和战略也是促进氢能发展的主要驱动力。随着技术的突破和大规模应用，整个氢能产业链将迎来发展时期，特别是随着氢燃料电池汽车的普及，氢能消耗将以惊人的速度增长。预计到2030年，在政府政策的支持下，中国将成为世界上最大的氢燃料电池市场。
光催化分解水制氢利用光和水。二氧化钛基光催化具有物理化学性能稳定、无毒、无二次污染的优点，生物相容性好。光催化分解水反应获得的氢被公认为高效、清洁、可持续的可再生能源。因此，光催化分解水制氢无疑是一个环保的能量转化过程。
新开发的二氧化钛基光催化材料制备方法简单，成本低，与传统方法相比优势明显。通常含有贵金属的催化剂催化活性高，但相应的成本也很高。“在新材料中，我们使用的是‘贱金属’铜，储量大、价格低、容易获得，这是降低成本的第一个方面。”柳清菊介绍说，此外，原催化材料中单个金属原子活性大，容易形成团簇，降低活性。R&D团队将铜原子牢固锚定在易于获得的底物钛空位上，不易团聚。这个问题创新解决，稳定时间长。在常温常湿条件下，样品放置380天，仍具有与新制备样品相当的产氢性能，进一步降低了产氢成本；此外，新型光催化材料制备工艺简单，没有昂贵的设备，使光催化制氢更加“亲民”。
近年来，柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究，包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等，并获得了稳定的高性能光解水制氢光催化材料实验室制备工艺，正准备开展放大工艺研发，为后续产业化奠定基础。由于传统光催化材料成本高、量子效率低、国内光催化氢市场不成熟、产业链衔接和相关政策完善还有很长的路要走，黎明已经到来。
对于柳清菊团队来说，56%的氢量子生产效率并不是终点。“我们还在继续努力进一步提高，如果能提高到70%以上，对生产应用的意义不言而喻。”柳清菊说，相信如果找到了正确的方向，再次提高效率将不是梦想。随着光解水效率的进一步提高和成本的进一步降低，氢能时代将加速到来，人类将绿水青山还给地球。
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