華人女科學家取得人工光合作用制氫技術突破 | 徐令予

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導讀

近日「科學美國人」在頭版顯著位置講述人工光合作用制氫技術突破，該項突破為獲取穩定的光電極材料開拓了全新的方向，並可能為未來大量收集和儲存太陽能提供最佳方案。論文的第一作者是一位從貴州大山走出的華人女科學家，也正是各類巾幗英雄的不斷湧現，使作者對中華民族的偉大復興充滿信心。

2月5日，「科學美國人」在頭版顯著位置發布了一篇重要文章——「科學家們為可再生氫氣能源的製造開發出更好的途徑」（Scientists Develop a "Better Way" to ProduceRenewable Hydrogen）。文章特別指出：該項研究成果的論文已經發表在自然雜誌能源專刊上，論文的第一作者是 Jing Gu 博士。

我對太陽能利用的科學研究一直有著強烈的興趣，仔細讀完上述文章后，我猜測論文第一作者很可能是位華人科學家，令我備感振奮。藉助互聯網，我於當天就聯繫到了顧競（Jing Gu）博士。

令我十分驚奇的是：這位顧競博士竟然是位三十剛過，從貴州大山中走出來的年輕女科學家，美國聖地亞哥州立大學化學與生物化學系的助理教授。這位年輕有為的顧競博士的研究成果為利用太陽能提供了切實可行的新方案。

眾所周知，太陽能發電技術的一個致命缺陷是受制於日夜交替和天氣變化，而且大規模太陽能收集基地又遠離高能耗的人口中心。收集太陽能不是主要問題，對太陽能的有效地儲存和運輸才是關鍵。雖然近年來也開發了高壓直流輸電、蓄水儲能等各種相關技術，但這些技術都有著各種各樣的缺點，它們都不是長遠的理想解決方案。

而作為太陽能轉換和存儲的重要分支：「人工光合作用分解水制氫」技術具有廣闊的應用前景。利用3-5族化合物半導體太陽能電池的「人工光合作用分解水制氫」技術開發已有近二十年的歷史，這條崎嶇的探索之途上的攔路虎是製備高效穩定的光陰極材料。「明知山有虎，偏向虎山行。」顧競博士就是一位敢於上山打虎的巾幗英雄。

下面就是顧競博士接受我遠程採訪的內容：

問：顧競博士，請簡單介紹一下你的最新研究成果。

答：我的最新研究成果可以歸結為一句話：半導體磷化鎵銦與非貴金屬催化劑相結合形成廉價的光陰極材料在水分解中的機理及應用。

半導體磷化鎵銦材料與砷化鎵p-n結形成的串接太陽能電池早在20年前就被證明可以應用於太陽能電解水制氫氣，太陽能轉化為氫氣的效率可高達12％。但是該電極系統本身在水溶液的條件下非常不穩定，電極表面會發生自身的還原反應從而使電極材料腐蝕。如何穩定電極表面並且同時保持電極對水分解的催化活性是我的研究所要解決的關鍵。

我的研究表明可以通過原子層沉積法將二氧化鈦沉積到電極表面提高電極的穩定性並進一步通過廉價的水分解催化劑使電極表面保持水分解活性。用廉價非晶態二硫化鉬催化劑修飾過的半導體電極的穩定性可以與貴金屬鉑釕修飾過的電極表面穩定性相當。這個研究的創新性在於以往的研究雖然也嘗試將二氧化鈦做為光陰電極的穩定層，但是催化層一般是貴金屬異相催化劑。更為關鍵的是，在高溫加熱的情況下，我們發現催化劑層二硫化鉬和保護層二氧化鈦形成了一個互相鑲嵌的結構，進一步提高了電極的穩定性。我的研究為獲取穩定的光電極材料開拓了全新的方向。

問：請你簡單介紹一下人工光合作用制氫的原理。

答：人工光合作用制氫包含還原和氧化兩個反應：水溶液中的光敏半導體在陽光照射下產生電子和空穴。電子進入還原催化劑后把水中的氫離子還原成氫氣—這是還原反應；空穴進入氧化催化劑后把水中的氧離子氧化生成氧氣—這是氧化反應。由此可知，尋找高效率的催化劑和保護層相結合是人工光合作用制氫的關鍵。

現在在人工光合作用領域有各種不同性能的催化劑，比如說無機的分子，固體催化劑。近年來研究的趨勢是把需要合成的催化劑用生物酶，細菌等催化劑來替代，形成一種混合型催化劑。

人工光合作用制氫的原理圖

氫氣作為一種能源材料，製成以後可以通過燃燒獲得能量。或者可以通過傳輸進入燃料電池內部產生電流。再或者，氫氣是一種常用的化學中間體，可以通過不同的工業工程，幫助我們獲得氮化物，醇類物質或者甲烷。

問：有了你的研究成果，實現人工光合作用製取氫氣還有多少工作要做？

答：今天，人工光合作用製取氫氣已經不是遙不可及的夢想，但是需要解決的具體問題還有非常非常之多。

從小處來看，我們必須進一步提高光陰極材料水分解的效率；必須讓光陰極材料的保護層和催化劑之間互相協調合作得更好；同時要讓半導體表面通過保護層和催化劑層的作用而更穩定。這都需要通過更深入的基礎科學研究逐步分析解決。

從大處來看，當通過人工光合作用電解水取得氫氣后，如何收集、傳輸和儲存這些氫氣；如何更好的分配和使用這些氫氣。這就不僅是科學家的工作了，我們需要更多的優秀工程師和經濟管理專業人士共同參與。

問：收集和利用太陽能的重大意義在哪裡？

答：請先看看我們星球上的能量來源分布圖。圖中的各種色彩的圓圈分別代表不同的能源類型，而圓圈的大小表示該類型能源在地球上所佔的份額。圖中右邊四個圓圈代表的都是不可再生的能源，而左邊都是可再生的清潔能源。圖中左邊的橙色圓圈代表了全球一年能量消耗的總量，19TW，單位TW是10的12次方瓦特。這是2009年的數據，估計到到2050年會升高到30TW。

如果沒有能源技術的突破，地球的不可再生能源再多只能支撐人類文明七十多年，而且在這期間這些不可再生的化石能源在燃燒過程中會嚴重污染我們的家園。

地球上各種能量來源的比例

請注意金黃色的太陽能，它的總量是如此巨大，圖上表示的還只是太陽能投射到地球上一年的總量。經簡單計算可知只要能夠有效的收集和儲存八十分鐘的太陽能就足夠支持全球一年的能源需求，而且它是完全無害的取之不盡、用之不竭的清潔能源。長年以來我們利用光電池可以有效的收集太陽能，但是儲存太陽能的技術一直難有進展。「人工光合作用分解水制氫」技術可能為大量收集和儲存太陽能提供最佳方案。

問：是什麼原因讓你走上了探索新能源的科研之路？

答：我出生在山明水秀的貴州，干浄的空氣和清沏的流水陪伴我長大。在求學路上，我逐漸離開山區進入越來越繁華的大都市。大量能源的消耗撐起了都市的現代文明，但是也給人們帶來了嚴重的污染。多麼希望能儘快找到清潔的可再生能源，讓我們和我們的後代在享受現代化生活的舒適便利的同時，也能夠有一個像我童年時一樣的青山綠水的生活環境。這將是我終生的事業和追求。

問：你在研究工作中有些什麼有趣的經歷？

答：新能源研究領域集中了各方面的專家學者，和他們一起工作極大地開拓了我的學術視野，與他們討論交流也常會激起思維的火花。我在普林斯頓大學做博士后，師從一位固體化學權威，他是美國國家科學院院士。他家的後園建有天文觀測站。我們幾個學生有時會去那裡仰望星空，與老師一起討論土星的光環和超新星等天文學的奇觀。我深深地感覺到「天高地迥，覺宇宙之無窮；興盡悲來，識盈虛之有數」。

這段難忘的求學經歷使我堅信宇宙的演變都是有規律的，我們的研究和探索就是要透過現象看本質，掌握和利用這些自然規律為人類服務。

新能源研究領域有許多的團隊和學派，他們有些像江湖上的流派，有著像東邪、西狂、南僧、北俠等武林高手。我是一個入道才五年的新手，我願意繼續向各流派虛心地學習，博採眾長，有朝一日用自創的獨特工夫攻克新能源征途上的險隘難關。

我：謝謝顧競博士在百忙之中接受我的釆訪。

在與顧競博士的釆訪交談中，我感覺得到她不僅有著深厚的專業功底，而且具有十分廣博的自然科學知識。聽著她談論人工光合作用的科研現狀和前景，細節方面深入淺出，條理清晰；宏觀層面高屋建瓴，極具遠見。如果單憑她談話的內容和遣詞造句，我感覺她簡直就是一位睿智的資深科學家。

就如顧競博士自己所說，在人工光合作用科研征途上她畢竟還是一位年輕的新手，前面的路還很長很遠，她必須加倍的勤奮努力。讓我們一起預祝顧競博士在不久的將來取得更大的成功。

近百年來，中華民族的偉大崛起有目共睹，他的輝煌成就表現在許許多多方面。在這些成就中間有一點非常特出，我們的崛起過程中產生了比例高得驚人的巾幗英雄。單看科研領域，前有吳健雄、屠呦呦，今有一大批像顧競博士這樣的後起之秀。試問哪個時代，哪個民族能與中華文明爭鋒？

一個偉大的文明的最重要標誌不是GDP的高度，更不是擁有多少先進武器。偉大文明最大的特點就是地傑人靈、男女平等、人才輩出，它應該源源不斷地養育出成千上萬的專家學者，而且在他們中間還必須有大量像顧競博士這樣的巾幗英才。環視全球，近百年來養育出高比例的女性人才，除了又有哪個國家和民族能做到這一點呢？因此，我對中華民族的偉大復興事業信心百倍。

顧競博士工作在美國新能源國家實驗室

背景簡介：本文作者為加州大學洛杉磯分校物理系研究員徐令予，文章於2017年2月16日在觀察者網（http://m.guancha.cn/XuLingyu/2017_02_16_394504.shtml）發表，風雲之聲經授權轉載。

責任編輯：郭尖尖

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