材料黑科技：光照充能与产氢时间分离

新型聚合物可将太阳能储存数日，之后以高达72%的效率产生氢气——即使在无光环境下也能实现。

绿色氢气被寄望于使高炉实现碳中和、改造钢铁厂，并推动重工业脱离煤炭依赖。然而迄今为止，其生产仍取决于当下是否有充足的阳光或风力。这也是能源转型的核心难题之一：可再生能源供应波动剧烈，而工业生产流程却需要稳定可靠的能源供给。一项新研究描述了一种有望填补这一空白的材料——它能将太阳能暂时储存，并在之后按需转化为氢气。

这一系统的独特之处

该系统将光照充能与实际产氢两个过程在时间上分离。它并非直接储存氢气，而是借助一种特殊聚合物吸收太阳光中的电子，并将其稳定保存数日。只有在加入酸和催化剂后，才会释放出氢气——即便在黑暗中也能实现。

聚合物如何储存太阳能并在之后产生氢气

该材料由来自乌尔姆大学和耶拿大学的研究人员共同开发。其核心是一种含有"紫精"（Viologen）单元的水溶性共聚物。这些化学结构单元能够接收并稳定储存电子。在可见光照射下，借助钌配合物作为光敏剂，聚合物完成充电过程。

经过约两小时的光照，系统可达到82 ± 2%的荷电状态，即超过五分之四的可储存单元已被电子占据。乌尔姆大学的斯文·劳（Sven Rau）教授表示："可以将其想象为分子层面上太阳能电池与电池的结合体。"

耶拿弗里德里希·席勒大学的乌尔里希·S·舒伯特（Ulrich S. Schubert）教授补充道："需要时，我们可以以氢气的形式将化学能重新提取出来。储存的电子会被有针对性地再次利用。"

超过80%的效率——储存稳定长达数日

储存的电子不仅能保持数分钟或数小时。实验表明，只要溶液中不混入氧气，荷电状态在24小时乃至72小时后仍保持稳定。相比之下，类似的非聚合物结合分子在18小时内就会损失约40%的电荷。

该材料的单位质量储能量也远高于同类系统。该聚合物每克可储存约101库仑电荷，而其他方案中测试过的金属有机框架材料约为每克15库仑——新材料的储能密度是后者的六倍以上。

按需产氢——即便在黑暗中

真正的优势体现在放电环节。氢气并非在吸收太阳能时立即产生，而是在之后才生成：将溶液酸化至pH值为2，并加入适当催化剂后，此前储存的电子便与质子结合——随即产生氢气。

该系统在使用微小铂颗粒作为催化剂时效果最佳，约72%的储存能量被成功转化为氢气。测试过的铑催化剂达到约54%，其他方案则明显较弱。若没有合适的催化剂或所需酸性环境，则完全检测不到氢气产生。

简单的pH切换即可重启系统

产氢后系统并未失效，可恢复至初始状态。只需将酸性溶液中和，聚合物便可再次吸收太阳能并重新充电。这种酸碱之间的切换如同一个开关，允许多次充放电循环。

当然，系统并非毫无损耗。第一个循环中聚合物储存了约71%的最大可储能量，第二个循环降至67%，但即便经过四次充电循环，该值仍维持在68%左右——材料本身保持相对稳定。

产氢效率的下降则更为明显：以铂为催化剂，第四次循环中仅约32%的储存能量被成功转化为氢气。

为何这对工业和能源转型具有重要意义

对于钢铁、化工或炼油等行业而言，这类工艺极具吸引力。这些领域的工厂全天候运转，需要可靠的大量氢气供应——而不仅仅是在阳光充足或风力强劲时才能获得。目前，氢气要么必须即产即用，要么需要耗费大量技术资源进行储存。基于聚合物的化学储能中间体有望将生产流程解耦，使其更具计划性。

然而该系统目前仍处于纯实验室研究阶段。它使用钌配合物作为集光器、三乙胺作为电子给体，溶液中不得含有氧气，且产氢过程需要强酸环境。因此，若要实现工业规模应用，还需要更耐用的材料和更简化的操作条件。

信息来源：fr.de