通过利用太阳光的红色和近红外区域从水中获得氢燃料

氢气是一种很有前途的“绿色”燃料。氢是最轻的化学元素，氢是一种有效的能量存储器，可以替代汽车中的汽油。然而，该元素本质上不存在大量，并且必须人工生产。

通过将水(H 2 O)分解成氢气(H 2)和氧气(O 2)可以产生氢气。有很多方法可以做到这一点，但最干净的 - 因此最吸引人的 - 是使用太阳能电池。这些装置捕获太阳光的能量以驱动水分解反应。

阳光来自光谱，每种颜色都有不同的波长。太阳能电池必须吸收特定波长的光，这取决于电池驱动反应所需的能量。它捕获的光谱越多，产生的氢就越多。不幸的是，大多数细胞仅吸收较短波长的光，对应于红光区域下方可见光的较高能量区域。这意味着虽然可以使用蓝色和绿色光等颜色，但其余的都被浪费了。

现在，日本九州大学及其碳中性能研究所(I2CNER)的研究人员已经解决了这个问题。他们发明了一种由近红外(NIR)光驱动的装置 - 光谱的一部分，肉眼看不见，波长比可见红光长。因此，它们能够收获更广泛的光谱，包括UV，可见光和NIR。他们的设计巧妙地利用了钌的化学成分，钌是一种与铁有关的重金属。他们的成就在Angewandte Chemie国际版中有所报道。

特殊的金属 - 有机杂化材料擅长捕获光，这有助于它们的电子“跳跃”到附着在金属中心的材料的有机部分的轨道中。在太阳能电池中，这是产氢的第一步，因为电子是化学的驱动因素。然而，轨道之间的跳跃通常是如此之大，以至于只有紫外线和可见光的较高能量区域才有足够的能量来刺激它。红色，近红外甚至更长的红外光被简单地反射回来或通过设备，它们的能量仍然未被使用。

九州的设计与众不同。“我们在钌原子中引入了新的电子轨道，”相应的作者Ken Sakai教授解释说。“这就像在梯子上添加梯级 - 现在钌中的电子没有跳跃，所以他们可以使用较低的能量，如红色和近红外光。这几乎可以使我们可以收获的太阳光子数量增加一倍。 “

诀窍是使用有机化合物 - 碳和氮的六角形环 - 将三个金属原子连接成一个单独的分子。事实上，这不仅创造了这些新的“梯级” - 因此能够使用红光和近红外光 - 而且由于分子的光捕获部分的空间扩展，使反应更有效。因此，加速了氢的产生。

“这需要在全球范围内进行数十年的努力，但我们终于设法通过NIR来减少水的排放，”Sakai说。“我们希望这只是一个开始 - 我们越了解化学反应，我们就越能设计出能够使干净的氢能储存成为商业现实的设备。”