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在追求碳中和的道路上，氫氣被視為未來能源的重要組成部分，它不僅能作為清潔燃料，還能與二氧化碳反應制造可持續的塑料。然而，氫氣的大規模生產仍面臨著高成本和低效率的挑戰。如今，一項顛覆性的研究突破，或許能為這一難題帶來解答——單一催化劑高效分解水的技術，正在突破傳統限制，掀起一場氫能革命。信州大學的道門一成教授及其團隊，憑借將氫氣和氧氣生成催化劑合二為一的創新研究，獲得了2024年科睿唯安引文榮譽獎，也被認為距離諾貝爾獎僅一步之遙。

道門教授的研究不僅在催化劑領域取得了重要進展，還成功地將這一技術向實際應用邁出了重要一步。這項技術利用光催化劑，只需將粉末溶解在水中并暴露在光下，便可高效產生氫氣，并且具有顯著的能源利用效率提升。與傳統方法不同，光催化劑不再依賴兩個分離的催化劑，而是通過將氮化鎵和氧化鋅結合，直接在單一催化劑上實現水的分解，打破了光催化領域的技術瓶頸。

但這一革命性進展仍面臨諸多挑戰——如何擴大基材的光吸收波長，如何在保持高效率的同時實現商業化應用，這些都需要更多的研究和實踐來驗證。正如道門教授所言，雖然距離真正的商業應用還需幾步，但這一技術的潛力已顯而易見，未來的氫氣價格或將因此暴跌，為實現全球碳中和目標提供強大的動力。在此背景下，這項研究不僅代表了科學的重大突破，也為新能源產業的未來打開了全新的發展空間。

氫催化劑技術產生的背景及介紹

為了實現碳中和（即幾乎零溫室氣體排放），我們迫切需要一種廉價且大規模可持續的氫氣供應。氫氣不僅可以作為清潔能源燃料使用，還能與二氧化碳反應生成塑料等有用的材料，且氫氣本身是可重復利用的，排放過程不產生碳。因此，氫氣被視為解決氣候變化的重要“武器”。而其中，光催化技術有望大幅降低氫氣的生產成本，未來氫氣的價格可能因此大幅下降——這項技術的關鍵就在于，研究人員只需將催化劑粉末溶解在水中并暴露在陽光下，就能高效分解水并釋放氫氣。目前，一些日本科學家的研究成果已經被認為有可能獲得諾貝爾獎。

信州大學的道門一成教授在獲得2024年科睿唯安引文榮譽獎后，談到這項技術時表示，雖然他非常期待看到技術盡快進入實用階段，但他認為還需要等待兩三年，才能真正見證這一成果的廣泛應用。這個獎項被視為通向諾貝爾獎的前奏，而水分解光催化劑的實際應用也已經只差幾步之遙。

這項研究突破的關鍵在于光催化劑的設計。科學家們通過拓寬催化劑對光的吸收波長，顯著提升了水分解的效率。如果催化劑能吸收更多的太陽光，利用光能分解水的效率也會大幅提高。傳統的光催化方法需要分別使用兩種不同的催化劑來分解水，分別生成氧氣和氫氣，而道門教授的團隊通過創新設計，將兩者合并成一個單一的催化劑，從而大幅提高了反應效率。

2006年，道門教授曾在一篇論文中首次提出，用單一催化劑實現水的高效分解，這一想法獲得了廣泛的關注和高度評價。此前，分解水時生成氫氣和氧氣的兩個催化劑之間需要借助復雜的電荷轉移機制，這一直是限制反應效率提升的瓶頸。道門教授的團隊通過結合氮化鎵和氧化鋅，成功創造了一個能同時生成氧氣和氫氣的單一催化劑。令人驚訝的是，這種催化劑甚至能夠在能量較低的可見光下，也能有效地產生氫氣。

這項技術的突破為氫氣的生產提供了更加高效、低成本的途徑，也為實現碳中和目標帶來了新的希望。

挑戰在于擴大基材的吸收波長

挑戰在于如何擴大基材對光的吸收波長。在此之前，光催化技術的可行性曾遭到質疑。但多門教授的研究論文推動了人工光合作用領域的進一步發展，許多在歐洲和美國的研究項目也開始采用相似的方法。

此外，關于水分解技術，研究者們已經實現了紫外光下100%的量子產率。這意味著，催化劑吸收光后，幾乎所有生成的電子和空穴都能被用來進行水分解反應，極大地提高了反應效率。

本研究使用了添加鋁的鈦酸鍶作為基體材料，銠鉻氧化物復合物作為氫氣生成助催化劑，氫氧化鈷作為氧氣生成助催化劑。鈦酸鍶晶體具有優異的電子和空穴導流性能。因此，研究團隊將氫生成促進劑附著在電子流動較好的表面，而將氧生成促進劑附著在空穴流動較好的表面，從而優化了反應過程，避免了相互干擾。研究人員還成功地在直徑僅500納米（1納米是十億分之一米）的18面顆粒上進行了精確著色。

目前的挑戰是，如何在不影響性能的情況下，進一步擴大基材的吸收波長。新的材料如氮化鉭和氧化錫/鈮等已經被發現，作為潛在的改進方案。多門教授解釋說：“通過添加新元素可以拓寬光的吸收波長，但這也可能導致晶體中產生更多缺陷。”

盡管如此，離實際應用還需要幾個步驟才能完成。日本擁有大量材料研究人員，他們不僅在催化劑領域有深厚的積累，還在半導體和電池等領域取得了很多進展。來自不同領域的創新思路可能為技術突破帶來新的機會。

在催化劑研究的同時，相關的制造工藝商業化和驗證也在同步推進。新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）的一個項目中，已實際構建了一個100平方米的氫氣生產示范系統，通過排列1600塊面板。三菱化學等公司也積累了工廠設計的經驗，目前正進行示范開發。

值得注意的是，大學的基礎研究成果并不是完成后直接交給企業，而是大學的基礎研究與產業的商業發展是并行推進的。關鍵在于，研究人員能否將水分解原理與工廠設計知識相結合，最終實現研究和商業的雙贏。