科技发展当中，有一个普通人平时不太注意的话题，它将直接影响人类文明下一个20年的发展进程。这个话题就是，能代替石油且更环保、更便宜的能源将会是什么？就目前来看，太阳能、电能、氢能源都是比较有希望代替石油的，但它们各自的运用科技上都存在缺陷。今天我们主要来聊聊氢气能源，同时分享今年日本东京大学有关氢气制备的最新科研进展。
氢能源凭什么成为候选名单的种子选手
假如您现在给您的爱车加一车满满油箱的氢气，而不是汽油，那么本来你加满汽油可以开3天，现在可以开15~18天啦。这是因为氢能源是一种能量密度更高的燃料，它燃烧产生的能量是同等重量汽油的3倍，煤炭的4倍。
看到这里有人会说“你这算术不及格啊，汽油的3倍能量密度，应该是9天，怎么会是15~18天呢？”
这里就要提到氢气能源的第二个优点。汽油通过燃烧产生能量，使用效率最大一般也就是30%-40%，也就是说甭管是汽车车还是其他机械，通过燃烧驱动的时候，只有30%-40%转化成动能。而氢气轻易的能量转化率能到达惊人的90%，这种超高效率地使用，是通过一种叫做燃料电池的装置实现的。您别听它叫电池就以为只能做得很小，这种装置也能做得很大驱动大型设备。
不仅如此，我觉得氢能源最值得称赞的优点，是它的烧烧产物只有水，在全球变暖的大背景下，零碳排放的环保特性简直就是雪中送炭。
人类为了得到氢气和水死磕的那些事儿
对于普通人来说，提到氢气，简直就是最熟悉的陌生人。我们日常呼吸道的空气中就含有氢气，说它陌生是因为空气中的氢气含量只有200万分之一。显然，空气不是提炼的最佳对象，而大自然取之不尽的水含有丰富的氢元素，想要氢气的科学家们自然和水较上了劲。
早在1920年，美国就提出了氢经济的概念以来，科学们为了高效率的得到氢气想尽了各种方法，比如说比较主流的都有电解水、水煤气法制氢、活泼金属置换、光催化法、硫碘循环制氢等等，其他乱七八糟的还有一大堆。
图 电解水制氢法示意图
但这些方法最后都不行。就拿常见的电解水制氢法来说，虽然提炼出的氢气纯度能达到99.7%，但生产相当于一升汽油热量的氢气，至少需要消耗45度电能，傻子都算得出来，这不划算嘛！其他的方法要么就是提炼出的氢气纯度不够，要么就是提炼的效率太慢太低。
神奇的催化剂和光催化法制氢
今年日本东京大学发布了一项令人震惊的成果，他们使用光催化法配合一种神奇的催化剂，能从水中产生氢气和氧气的效率可以达到几乎100%。
这里我要先给您说说光催化法制氢，为后面做个铺垫。
1972年，日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授偶然一次实验中，发现半导体TiO2在一定的光照条件下，能够催化分解水产生氢气。这可引起了很多人的重视，因为阳光和水不仅在地球上十分廉价，而且光解水的制氢方式，整个过程非常环保，对环境影响很小。
但这个方法有一个重大缺陷！
在光分解水过程中，催化剂就相当于一个泡在水里的微型工厂。当光透过水照到这个工厂里面的时候，在工厂的内部就会产生大量的正负电荷。这些正负电荷会在工厂里面走动，当它们走到工厂外围与水接触的时候，就会把水分解成氢气和氧气，您可以把它粗略地理解为电解水的一种升级版。
但是这些正负电荷它们淘气啊，不会乖乖地走到工厂外面和水接触，而往往它们会先碰到一起自己嗨，然后相互结合，并且发出热量。这个过程叫做电荷重组，这就导致不能充分分解水里面的氧和氢，使得这种方法提炼氢气的效率从来没有超过10%。
而东京大学的研究人员发现的神奇催化剂，叫做钛酸锶的晶体材料，完美地解决了这个缺陷。在光的照射下，正负电荷会聚集在不同方向的晶体表面。换个通俗的说法，就是一种电荷一心一意地往工厂的东门跑，而另一种电荷往南门跑，这样它们与工厂外面水接触的概率就大得多，而不会自己提前抱在一起苟且了。
当然，仅仅发现钛酸锶晶体的优点，还远不足以实现这项研究中接近完美的转化效率。因为晶体内部，往往还存在着一些局部缺陷，导致部分正负电荷会变成傻子，然后迷路。
东京大学的研究人员经过多年努力，通过优化这种催化剂的晶体结构，医治好了那部分傻子正负电荷。然后在波长350nm和360nm的两个紫外线波段照射下，把接近96%的光能都转化成了水分解后氢气和氧气中蕴含的能量。
之所以是96%的转化率，是因为实验中难免会有一些误差和损耗，这个96%的效率已经说明这种催化剂的转化率很可能接近了理论上的最大值，也就是100%了。
但是，您可能也看出来了，这种催化剂距离实际的应用还有一个重要的缺陷，那就是它只在紫外光的范围内，才有接近完美的催化效率。在波长400nm以上的可见光范围内，它的转化效率又迅速下降到了大概10%左右。而地球由于臭氧层的保护，太阳光紫外线的大部分都被挡在外太空了。所以这个催化剂直接投入工业使用还存在一些问题。
即使这种方法也存在瑕疵，但我觉得这已经是氢能源的研发，迈出得很大一步了，它第一次提供了接近完美地光解水反应的有力实验证据，同时它也证明了这条研发思路的可行性。
也许未来某一天，我们真的能够实现可见光的光催化制氢，那时候世界会发生怎么样的变化呢？
参考资料：
·Nature, 2020, 581 ， 411-414, DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9 （东京大学在《自然》杂志上发表的论文）
·维基百科—氢能源 ·百度百科-光解水制氢
水溶液中的二氧化钛在近紫外光照射下，因电子移动，具有较强的氧化作用和亲水性。氧化作用的关键是超氧负离子的生成，这被称为「本多-藤嶋効应」、藤嶋教授在1967年发现了这一效应并及其应用，开创了「光催化」研究这一新研究领域。
二氧化钛因其强氧化性及亲水性，在各种抗菌剂、消臭剂、表面附着剂等等方面有着广泛的应用。
光解水制氢 [1]技术始自1972年，由日本东京大学Fujishima A和Honda K两位教授首次报告发现TiO2单晶电极光催化分解水从而产生氢气这一现象，从而揭示了利用太阳能直接分解水制氢的可能性，开辟了利用太阳能光解水制氢的研究道路。随着电极电解水向半导体光催化分解水制氢的多相光催化(heterogeneous photocatalysis)的演变和TiO2以外的光催化剂的相继发现，兴起了以光催化方法分解水制氢（简称光解水）的研究，并在光催化剂的合成、改性等方面取得较大进展。
相关报道：
革命性突破！日本成功实现全球首例太阳能大规模制氢
用光触媒从水分解出氢气
成功完成这项实验的研究团队，由日本“新能源产业技术综合开发机构”（NEDO）及东京都大学、信州大学等组成，今年8月已将实验成果发表在国际科学期刊“自然”（Nature）。
研究团队致力于活用吸收太阳光造成物质出现化学反应的“光触媒”作用、把水分解为氢与氧所使用的物质的技术研发。
这次所进行的实验是把附着这项物质的面板设置在户外并注水，从太阳光照射产生混有氢与氧的气体中仅分离出氢；这项实验从前年开始，已进行约两年。
氢跟氧结合碰到火就会燃烧或爆炸，是很难处理的气体，但这次实验能从产生的逾7成氢中，安全分离出约94%的高纯度氢。
研究团队表示，在100平方公尺的大范围成功分离出氢是全球首例，期待有助能大量且低成本制造氢的技术；另一方面，能更有效率分离氢的新物质研发实用化已成课题。
研究团队成员、东京大学特别教授堂免一成说，像这么大规模的实验因为具爆炸危险性，全球没有前例，但他们考量了如何安全进行的方式，并研发出实验装置，“希望能早日实用化，向全球大量提供便宜的氢”。
氢为何被称为"完美能源"?
氢直接燃烧或通过燃料电池发电的产物为水，能够实现真正的零碳排放，对环境不造成任何污染，故而被誉为终极能源或"完美能源"。
氢广存于地球之中，其能源密度极高，且可以气态、液态及固态的氢化物呈现，以适应各种运储方式及应用环境的要求，和化石能源相比，其制取更为方便，不受地区因素的限制，也不会因资源分布不均而引发地缘政治风险，通过可再生能源制氢，将促成碳中和的实现。
目前以化石燃料做为主原料的煤气转化法占全球氢制备总量的95%，而以电解水制氢的的比率不足5%，以太阳能制氢的比例更小。其实以太阳能制氢已有40年的的发展历史，被认为是最有前景的制氢方法之一。
而如今， 日本终于在太阳能制氢这一领域取得重大进展。
"豪赌"氢能源的日本:技术已经遥遥领先
放眼全球，日本是近年来最热衷发展氢能的国家之一，作为一个岛国，日本最不缺的就是海水，而海水中蕴含巨大的氢能资源。
2011年之前，日本将低碳发电目标寄望于核能，但福岛事故后已转变为寄望于可再生能源的发展。
利用碳捕获（CCS）实现平价化石燃料的脱碳制氢，以及可再生能源制氢，对能源自给率甚低的日本而言，用零排碳的可再生能源以制取清洁、高效且较易储运的氢能，无疑是“后福岛时代”得以兼顾能源安全和碳中和目标的理想选择。
日本百年老店──电气产品制造商东芝集团（Toshiba）正在全球布置此具“未来能源”之称的氢能，并以大规模可再生能源制取绿氢，做为碳中和时代的解决方案。
早在50年前东芝就开始做氢能方面的研发，当时日本的氢路线是烃类或醇类重整制氢，但现在零碳的理念下，近10年已全面提升氢能体系。例如东芝燃料电池体系全部都是纯氢制备，其燃料电池系统H2Rex 在日本国内已累计交付了100台以上，这种100KW的模块化单元，可根据需求做灵活组合，启动后不及5分钟时间，高效管道或储槽中的氢气转化为电能和热能。
除了氢能之外，东芝还有其他颇具竞争力的的能源业务和碳捕获及储存技术，可以根据不同地区的条件与与特征，进行灵活的组合，无论在水电领域、光伏领域及地热领域，均处于世界领先的地位。
日本三菱公司周一(10月18日)也表示，将在2030年前投资2万亿日元(175.4亿美元)用于可再生能源和氢气等替代能源，以推动其脱碳和减排努力。
日本政府在2017年年底时，就发布了“氢能源基本战略”，要在2030年实现氢气价格每立方米30日元，加氢站数量达到900个，氢能源汽车数量达到80万辆。
前不久，松下集团在大阪建造了“H2 Kusatsu Farm”加氢站，第一种是利用太阳能电池板发电，再通过电解水的方法制氢；另一种是利用制氢设备与气体重整工艺相结合，该技术来自“Ene-Farm”家用天然气燃料电池，已经可以实现稳定制取氢气。
事实上，这仅仅是日系众多加氢站的一个。对于人口密度极高的日本来说，加氢站运转的安全性的重要性不言而喻。截至2018年底，日本已经建成了96座加氢站，而目前日本加氢站的数量已经突破100座，稳居世界第一。目前日本加氢的价格和汽油相当，300元的氢气可以行驶650km，并且日本政府提出，2025年氢能源汽车的用车成本要和混动汽车相当。
不仅是加氢站的数量，日本在氢能源技术的专利数量上也是遥遥领先。根据数据统计，全球氢燃料电池技术专利83%握在日本人的手里。
之前氢虽有诸多优点，但在全球范围内仍为制氢成本居高不下所困扰，就算在日本也要靠政府的政策来支持。日本的这一选择堪称全球对于氢能的最大赌注之一。
如今随着日本东京大学研究团队成功实现太阳能大规模制氢, 如果接下来实现商业实用化，无疑将有望大幅降低用氢成本，推动氢能源的商业化和相关产业链的发展。
华尔街日报在2021年6月的一份报道提到, 长期以来，氢能一直被认为成本过高，效率过低，因而不切实际。日本的这一选择堪称全球对于氢能的最大赌注之一。
正如1970年代日本引领了液化天然气的使用一样，该计划(氢能源)若成功，将为全球氢能供应链奠定基础，最终使氢能成为一种独立的能源来源，进一步推动石油和煤炭的边缘化, 给世界能源市场带来巨大变革。
如今, 日本长期以来对氢能源的“豪赌”不但有望为自己带来丰厚回报，更将为当下饱受能源危机及碳中和困扰的国家点亮一盏希望之灯。
来源：观海外
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