開上氫能源汽車，加氫3分鐘就能跑800公里，還是零排放……隨著制氫技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這一場景有望成為現(xiàn)實(shí)。在碳達(dá)峰碳中和背景下，氫能成為未來的重要能源，如何高效、低成本制氫，特別是光解水制“綠氫”是許多科學(xué)家研究的方向。

北京時(shí)間2022年10月18日4時(shí)，我校材料與化學(xué)學(xué)院化學(xué)系廉孜超特聘教授和京都大學(xué)化學(xué)研究所“通過等離子體能量上轉(zhuǎn)換利用紅外太陽能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的研究成果發(fā)表于綠色可持續(xù)發(fā)展技術(shù)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《自然-可持續(xù)發(fā)展》(Nature Sustainability)。研究提供了一種利用未開發(fā)的太陽能紅外光區(qū)誘導(dǎo)材料能量轉(zhuǎn)化的新方案，在國際上填補(bǔ)了非貴金屬實(shí)現(xiàn)高效的等離激元能量上轉(zhuǎn)換效率這一領(lǐng)域的空白，意味著“水變氫”有了一條可實(shí)用化的新路徑。廉孜超為論文第一作者，上海理工大學(xué)為第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22109097）、上海市自然基金（20ZR1472000）和上海浦江人才計(jì)劃（20PJ1411800）等項(xiàng)目的支持。

論文封面圖

等離子體“爬坡” 在太陽光譜中“追光”

太陽光光譜中包含5%的紫外光、43%的可見光和52%的紅外光，以往有關(guān)光催化的研究大多限制在紫外光和可見光范圍內(nèi)，而幾乎占太陽能一半的紅外光卻被白白浪費(fèi)了。是否可以開發(fā)出能夠拓展太陽光譜響應(yīng)范圍的光催化劑，從而充分利用太陽光資源呢？

帶著這樣的疑問，廉孜超教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究，創(chuàng)造性地提出使用半金屬-半導(dǎo)體性質(zhì)的硫化銅（CuS）構(gòu)建半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，形成良好的等離子體紅外到可見能量上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而大幅提升紅外光利用率，也使氫能的規(guī)模化、平價(jià)化應(yīng)用成為可能。

“當(dāng)入射光子頻率恰好與金屬納米顆粒或金屬傳導(dǎo)電子的整體振動頻率相匹配，我們可以視為光子成功‘撥通電話’，并被振蕩‘接通電話’后吸收，只有極少的光發(fā)生散射，此時(shí)光譜上出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的共振吸收峰，產(chǎn)生的表面等離激元電子和空穴會同時(shí)傳遞到臨近的寬禁帶半導(dǎo)體上面。”廉孜超將這一過程形象地稱為“等離子體爬坡”，他解釋說，這意味著光催化劑中的等離激元只要攀升到能發(fā)生局域表面等離子體共振的“坡”上，就能實(shí)現(xiàn)能量的增強(qiáng)和轉(zhuǎn)化，將太陽能中的紅外光能轉(zhuǎn)換為可見光能，最終達(dá)到提高紅外光利用率的目的。

特聘教授廉孜超

從“0.1%”到“5.1%” 讓興趣成為最好的“催化劑”

在利用紅外光讓“水變氫”的過程中，光催化材料是核心，材料的活性、穩(wěn)定性和成本則是決定光催化技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。“關(guān)于等離激元上轉(zhuǎn)換，目前只有極少數(shù)的課題組報(bào)道過，主要集中在金銀合金修飾的GaAs半導(dǎo)體，其能量轉(zhuǎn)換效率在0.1-1%。而我們利用硫化銅成本更低，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.1%。”

整個(gè)研究歷時(shí)5年之久，廉孜超輾轉(zhuǎn)國內(nèi)外，遠(yuǎn)赴豐田工業(yè)大學(xué)和日本立命館大學(xué)做瞬態(tài)吸收光譜相關(guān)測試。測試過程中，他嘗試多種可能的方法，發(fā)現(xiàn)了高效率的等離子體空穴的轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，對等離子體紅外到可見能量上轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的構(gòu)建有了初步構(gòu)想。由于等離激元上轉(zhuǎn)換這一領(lǐng)域涉足者鮮少，廉孜超團(tuán)隊(duì)選擇的“拓荒之路”注定充滿艱辛。一面面白板上的推理、無數(shù)組有效或無效的導(dǎo)出數(shù)據(jù)……終于在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了他的想法。

催化劑在轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中扮演著重要角色，而廉孜超把興趣稱作科研過程中最好的“催化劑”。“很多人覺得科研是艱辛而枯燥的，但我覺得在研究過程中能夠有所發(fā)現(xiàn)是非常有意思的事情，而取得階段性成果時(shí)的內(nèi)心喜悅也是無以言表的”，廉孜超感言道，“一份好的研究工作是經(jīng)過不斷的探索和挖掘，揭示出科學(xué)的本質(zhì)。”正是憑借這樣的鉆研精神，廉孜超5年來始終鉆研于此項(xiàng)研究中。功夫不負(fù)有心人，最終他們將紅外光到可見光的等離激元能量上轉(zhuǎn)換效率推至5%以上。 

紅外光到可見光能量上轉(zhuǎn)換機(jī)理圖

面向國家需求 做科研領(lǐng)域“拓荒者”

“科研是一個(gè)認(rèn)識自然、探索自然的過程，但最終還是要服務(wù)于國家和社會，所以我們在做研究時(shí)絕不能‘充耳不聞窗外事’，研究方向要面向世界科技前沿和國家重大需求。”這是廉孜超不曾動搖過的科研理念。

還在京都大學(xué)深造時(shí)，他就決心要回國發(fā)展，用自己的所學(xué)報(bào)效社會。2019年12月25日——這個(gè)日期廉孜超記得很清楚，這是他回國的日子。回來后他正式加盟上海理工大學(xué)，成為了材料與化學(xué)學(xué)院的特聘教授。

“任何成果的獲得都不是輕而易舉，我覺得最重要的還是努力和專注，加上創(chuàng)新的思維。在科研上攻堅(jiān)克難首先需要團(tuán)隊(duì)智慧，然后保持專注：只有認(rèn)定一個(gè)方向鍥而不舍，才能摘到遙不可及的科學(xué)之‘星’。當(dāng)然在研究過程中也離不開學(xué)校和學(xué)院給予的大力支持。”作為學(xué)校最年輕的“85后”青年教授之一，對于未來的科研旅程，廉孜超有著更多的展望：“我覺得學(xué)術(shù)研究要有自己的獨(dú)特之處，選定了自己的研究領(lǐng)域就要堅(jiān)持下去并不懈探索，希望在自己的領(lǐng)域再接再厲，做出一些創(chuàng)新性的成果，努力成為該領(lǐng)域的領(lǐng)航者和開拓者。”

文章鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41893-022-00975-9

供稿：新聞中心

文：李卉云