说能解源 | 太阳能，一种新旧能源的融合之道有光

有光，便有了世间万物，便有了芸芸众生。光来自于太阳，在太阳内部，氢核聚变反应释放出巨大的能量，这些能量以电磁波的方式传递到地球，这就是太阳能。历经了超过150年的化石资源的开发和使用，现如今人类面临着全球性的环境问题和化石资源的耗竭，迫切地需要可再生能源的开发利用。取之不尽用之不竭的太阳能，成为新能源的翘楚。太阳光照在地球上的总能量是现在全世界各种各样能量消耗的一万倍，如果能转化利用其1%-2%的能量，就能解决地球上的能源问题。因此，科学、高效地利用太阳能一直是科学家追逐的梦想。目前, 太阳能的利用主要通过两种形式：一种是利用太阳能发电，这在世界很多国家已经实现规模化应用；另外一种是将太阳能转化为化学能。可以预期，将太阳能通过有效方式转化和存储为化学燃料，将带来极大的经济、环境和社会影响。

1839年，法国物理学家 Becquerel 首次发现某些材料在受到光照时，其内部电荷的分布可以发生变化。100多年后的1954年，在美国的贝尔实验室，诞生了第一块太阳能电池。太阳能电池目前已广泛地应用于人类的生活之中，比如应用于大型的地面电站、分布式电站以及太空电源之中。同时,科学家还通过新的技术开发太阳能电池的更多应用，比如实现太阳能电池的柔性化与轻质化，将其直接安装于人类服装、移动电源等更多的应用场景之中。

利用太阳能分解水产氢转化二氧化碳为甲醇示意图

太阳光还可以转化为化学能。我们身边的植物就是将太阳能转化为化学能的能工巧匠，它们每天悠闲自得地享受着阳光，同时为人类提供丰富的物质和能量。一片叶子，蕴含着自然界中能量转化的秘密，叶绿体这个精巧的结构集太阳光的吸收、转化和存储于一身，堪称“太阳能转化工厂”。人类从绿叶的自然光合作用中得到灵感，期望开发高效的人工光合体系。在科学家眼里，人工光合作用的研究是一项“化学圣杯”，它将是未来解决能源和环境问题最理想的方案之一，深深吸引着人们寻找有效的方式进行多种体系的设计。通过模拟自然的光合作用，人们期望得到一种类似自然界绿叶甚至比它更优化的系统，成为高效的太阳能制备化学燃料的工厂。人工光合体系捕获太阳光，不仅可以实现水分解制氢，为人类生活提供零污染的能源动力，还可以进行二氧化碳的固定，生产方便储存、利用的碳氢燃料。

要让非常稳定的水和二氧化碳在光的作用下发生化学反应，实现人工光合作用过程，势必需要攻克无数个技术问题和科学难关。当前，人工光合作用研究最有效的策略当属光催化或光电催化过程，其原理不同于传统的催化，是一个更加具有挑战性、更加复杂的过程，涉及到光的捕捉和转化、电荷的分离和传输以及复杂的催化反应过程。太阳光捕获需要利用高效的吸光材料，光捕获的效率越高，理论上可达到的太阳能利用效率越高；被捕获的光能转化为高能的光生电荷，即电子和空穴，这些电荷经过千难险阻的传输过程，仅有少量电荷最终成功到达材料表面，参与水的分解反应或者二氧化碳的还原反应，生成我们所需要的氢能等化学燃料。

2009年至今，中科院大连化物所李灿院士团队致力于太阳能转化利用关键科学技术的研发和太阳能电池技术的发展，并致力于人工光合成制备太阳燃料过程的研究。先后在国际上发展了光催化体系的双助催化剂策略；提出了半导体异相结促进光生电荷分离的慨念；发现了晶体光催化剂晶面间电荷分离效应；并通过自主研发空间分辨表面光电压谱（SRSPS）和开尔文探针原子力显微镜（KPFM），在国际上最早实现了实际光催化剂表面光生电荷的成像。基于基础研究的进展，构筑了多个高效光催化分解水体系。这些工作受到国际太阳能光化学和光催化领域的高度关注和重视。李灿也凭借其在太阳能光催化和光电催化研究方面所做出的贡献获得2017年日本光化学奖。

来源：中国科学院大连化学物理研究所