近日，新加坡国立大学（NUS）的一组研究人员提交了一项科学发现，这可能会彻底改变分解水制氢的方式。而这项发现来自于一次意外。
目前制氢除了工业副产氢等来源，通过各种可再生能源制氢都需要用到能源，而这些能源本身都是人工费心费力制造出来的。这种制氢方式一直遭受对氢能源持抨击态度的人的指责。既然地球的氢含量很大，那么有没有一种方法让氢自动从氢化合物，尤其是水中跑出来，自动逸出，并被完美收集？
这种探索从上世纪就开始了。即使不使用人工制造的可再生能源，要让氢从水中逸出，还是得有能量，无疑利用太阳光是最容易想到的路线。但即使有太阳光，它可无法像蒸发水分一样打断氢原子和氧原子之间的链接，这中间还需要催化剂。人们在太阳光利用和催化剂研究方向上想了很多辙。
今年以来，这一技术产生了很大的进展。
中国：获得科研重大进展
虽然在过去半个世纪的光催化研究中，人们已经在光催化剂制备和光催化反应研究方面做出了巨大的努力，但由于光催化反应中光生电荷的分离、转移和参与化学反应的时空复杂性，人们对该过程的基本机制一直不清楚。
日前，这个谜团被中国科学院大连化学物理研究所李灿院士、范峰滔研究员等揭开了。研究人员对光催化剂纳米颗粒的光生电荷转移进行全时空探测，“拍摄”到光生电荷转移演化全时空影像。相关研究成果已于10月12日发表在国际学术期刊《自然》上。
目前，光催化分解水研究大多集中在筛选光催化材料和优化器件工艺上，光生电荷动力学等研究相对薄弱，重大科学问题尚未解决。李灿说，光催化分解水的核心科学挑战在于如何实现高效的光生电荷的分离和传输。由于这一过程跨越从飞秒到秒、从原子到微米的巨大时空尺度，揭开全过程的微观机制极具挑战性。
范峰滔基于血管成像介入手术的启发，却定了光催化成像的研究方向。通过集成结合多种先进的表征技术和理论模拟，包括时间分辨光发射显微镜（飞秒到纳秒）、瞬态表面光电压光谱（纳秒到微秒）和表面光电压显微镜（微秒到秒）等，像接力赛一样，首次在一个光催化剂颗粒中跟踪电子和空穴到表面反应中心的整个机制。“这为理性设计性能更优的光催化剂提供了新的思路和研究方法。”
日本：光触媒技术正在成熟中
去年11月，日本的研究团队成功利用阳光照射从水中分解出氧与氢的“光触媒”作用，在氢能方面有了革命性的突破。在100平方米的大范围试验中，成功分离出高纯度氢。这一实验的成功有助于大量且低成本的制造氢的技术，标志着日本实现了全球首例太光大规模制氢。
目前日本茨城县中部农村的大片山丘，已经树立了很多光触媒板，达到100平方米，仔细观察其内部，会看到像碳酸饮料那样不断冒出小小的气泡。该实验由东京大学特聘教授堂免一成、三菱化工、INPEX等的研究团队实施，描绘出在沙漠中建设“氢工厂”的远景。
这项技术的关键是提高能源转换效率，即把太阳能转换成氢能源的效率。要投入商用，估计要达到10%的能源转换效率。不过但茨城县的研究显示，即使在夏天，平均的转换效率也还不到1%。但是在100平米的范围内试验还是第一次。
丰田汽车集团丰田中央研究所今年4月宣布，研发出转换效率为7.2%的人工光合成装置。虽然是室内的试验，但光触媒板被扩大到了36厘米见方。
新加坡：无意中的大发现
新加坡国立大学设计与工程学院材料科学与工程系的研究小组发现，光可以在一种广泛用于水电解的催化材料中触发一种新的机制，在这种材料中，水被分解成氢和氧。其结果是一种更节能的获取氢的方法。
研究人员说：“我们发现电催化反应的氧化还原中心由光触发，在金属和氧之间切换，这大大提高了水电解效率。”
这项新发现可能会开辟新的、更有效的工业方法来生产氢气，并将这种环保的燃料来源提供给更多的人和行业。该研究小组发表在《自然》杂志上的一篇研究论文中详细阐述了他们的发现。
在正常情况下，研究团队可能不会遇到这样一个突破性的发现。但近三年前，他实验室的照明意外断电，让他们得以观察到与光有关的催化电解水机制。
通常，他们的研究实验室的顶灯通常会24小时开着。但在2019年的一个晚上，由于停电，灯熄灭了。当研究人员第二天回到实验现场时，他们发现在黑暗中继续进行的水电解实验中，一种基于氢氧化镍的材料的性能急剧下降。
研究人员说：“性能下降，以前没有人注意到，因为从来没有人在黑暗中做过实验。”。“此外，文献表明，这种材料不应对光敏感；光不应对其性能产生任何影响。”
为了确定他们即将发现突破性的东西，研究小组进行了多次重复实验。他们深入研究了这种现象背后的机制。他们甚至在新加坡以外的地方重复了这个实验，以确保他们的发现是一致的。
三年后，该研究小组终于能够在一篇论文中公开分享他们的发现。
根据他们的发现，该团队目前正在设计一种新的方法来改进生产氢气的工业流程。研究人员建议让含有水的电池制成透明的，这样就可以在水分解过程中引入光线。这会使得电解过程可以在更短的时间内产生更多的氢气，消耗更少的能量。
按照经济上的评估，利用太阳光制氢效率达到5%就可以进行工业化中试，效率如果达到10%，就和最便宜的化石资源制氢成本相近。未来，这个成果有望促进太阳能光催化分解水制取太阳燃料的应用，为人类生产和生活提供清洁、绿色的能源。
