重磅｜科学家们找到能光解水的新材料，清洁能源之路正向我们走来

仅用了两年时间，美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州理工学院的科学家们就使有希望被用于太阳能燃料的材料种类翻了近一番。该项研究加速推进了具有商业意义、可代替煤炭、石油和其他化石类燃料的新一代太阳能燃料的发展。

Molecular Foundry

为了实现清洁能源的梦想，科学家们希望仅仅使用阳光、水和二氧化碳就能制造太阳能燃料。研究人员正在拓展可能解决此问题的目标范围，而其中的一种想法就是通过分解水产生氢气。

水分子是由氧原子和氢原子组成。当氢原子被提取之后，它们能够再聚集在一起产生极易燃烧的氢气，或者同二氧化碳重组产生烃类燃料，以此创造一种丰富且可再生的能源。然而，问题在于太阳光照射水分子时，水分子并不会轻易分解。试想要是那样的话，海洋就不会覆盖我们星球表面的大部份，这需要催化剂的帮助。

为了研制实用性强的太阳能燃料，科学家们正在尝试使用可见光作为能量来源以研发低成本、高效的材料。

在过去四十年中，研究人员仅仅找到了16种光电阳极材料。而现在，加州理工学院的John Gregoire和劳伦斯伯克利国家实验室的Jeffrey Neaton、 Kristin Persson、 Qimin Yan带头的研究团队仅仅用了几年时间就发现了12种有望作为光电阳极的材料。

研究人员使用高通量方法寻找新材料

这项新技术的研究成果于3月6日发表在美国国家科学院学报在线版上。在这项工作中，他们探索了174种金属钒酸盐，以及研究了如何选择第三种元素来产生不同性能的材料，以及怎样的元素组合才能开发出性能更好的光电阳极材料。

他们发现由钒、氧和第三种元素组成的化合物在可见光范围内具有高度可调谐的电子结构，该结构对水的氧化极其有利。“重要的是，我们能够解释它们可调谐的原因，并以此确定一些有希望的钒酸盐光电极化合物。” Neaton说。

该项新技术的研发由加州理工学院的人工光合作用联合中心（JCAP，由加州理工学院和伯克利实验室主导）和伯克利实验室材料项目组合作完成，使用了Molecular Foundry 和NERSC（国家能源研究科学计算机中心）的相关资源。JCAP一直致力于找到一种低成本、高效地将阳光、水、二氧化碳转化为燃料的方案。

在未来，新材料能够将水转化成燃料。研究人员正在使用高通量方法去搜寻新材料。

Molecular Foundry的负责人Neaton说：“这项研究尤其重要的意义在于将理论和实践很好地结合了在一起，并且找到了几种新的化合物能够用于太阳能燃料，我们也能够了解这些材料的电子结构。”

JCAP的光电催化专家、高通量实验团队的领导者Gregoire补充说道：“找到12种有望用于太阳能燃料的光电极阳材料真是一件令人激动的成果，但更重要的是找到了一条探索材料的新路子。”

先前开发新材料通常是通过“试错”的方式，而现在我们可以利用材料数据库和使用高通量计算方法快速地搜寻出最有希望的候选材料，这大大缩短了开发新材料的时间，高效并且很准确。