他山之石，或可引玉！太阳能技术在刚刚出现时，相关材料污染重，造价高，遭受很多诟病。但是随着技术的发展，太阳能技术已到得以大规模的应用，不但材料污染已微乎其微，且经济性越来越好，在世界能源体系中正发挥越来越大的作用。未来船用替代燃料的应用，也将取决于技术的进展以及经济性的提升，以目前的进展预测的图景，可能被某种技术颠覆。 https://t.cn/A6hBahr2
航运需要选择低碳甚至零碳替代燃料。对于需要大量密集型能源的长距离航行船舶来说，选择是替代燃料一项艰巨的任务，不过，航运业或许在日益提升的相关技术下拥有更多选择！在进入业界视野的主要替代燃料中，当前受青睐度最高的是液化天然气（LNG）。
自2018年IMO明确碳减排的目标后，达飞轮船订造9艘23000TEU级和5艘15000TEU级LNG双动力船，中远海能将其在大连船舶重工（集团）订造的4艘超大型油轮升级为LNG双动力船，壳牌石油通过多家船东订造LNG双动力油轮，多家企业成为把LNG作为替代燃料应用在主流船型上的引领者。
由于在LNG船上的应用，LNG作为船用燃料的应用历史已超过10年，技术上已经较为成熟。2021年，越来越多的新造船选择应用LNG双动力系统。在集装箱船领域，这一年有73艘新造船确定选择应用这一系统，占比13%；在油轮领域，45艘新造船确定选择应用这一系统，占比17%；在散货船领域，36艘新造船确定选择应用这一系统，占比8%。克拉克森统计数据显示，在2021年新订单中，有315艘船舶确定选择LNG作为替代燃料，占比16%。
当然，也有很多船东仍旧谨慎确定替代燃料，选择“骑墙”。2021年，有71艘新造船采用一种便于在未来改装成可增加LNG驱动（LNG-ready）的设计。除了加装费用高、设计建造难度大等原因，当前LNG双动力系统甲烷（CH4）逃逸现象也是一个不可忽略的因素。据了解，CH4排放是全球变暖的第二大原因。虽然CH4比CO2受到的关注少，但甲烷减排对于避免气候变暖的也至关重要。与CO2相比，CH4在大气中的寿命较短，但吸收红外线能量的能力约是CO2的26倍。
此外，甲醇、二甲醚、乙醇以及液化石油气（LPG）等也进入航运业减少温室气体的候选名单之中。在这些燃料中，甲醇是一种可以与LNG相媲美的船用燃料。较之LNG的优势是，甲醇在常压常温下是液态，不需要降温加压液化，与传统燃料在船上的储存类似，但是甲醇的单位体积能量密度较低（见表），因此相对于传统燃料，需要较大舱容来储存。在港口加注可获得性方面则几乎与LNG相当，据了解，全球已有超过100个港口可以获取甲醇。
来源：《多措并举，航运业绿色化未来可期》，中国船级社《航运低碳发展展望2021》编写组，2021
2021年，马士基在韩国现代重工订造的（8+4）艘16000TEU级船选用甲醇双动力主机引发广泛关注。此外，这一年马士基在韩国现代尾浦订造的1艘2100TEU级船也使用这一动力系统。
从趋势上看，清洁能源混合动力新造船正呈逐步增加之势。船用主机巨头MAN认为：“双燃料主机订单规模正在扩大，当前其约占总体订单的1/3，传统主机占2/3。我们预计到2025年两种主机的订单比例将达到1∶1。”
不过，目前LNG或甲醇作为船用燃料均有一定比例的CO2排放，无法实现零排放。更为理想的生物燃料在生产和运输中也会产生CO2，而且作为其主要原材料之一的废弃食用油的供应量对于替代每年3亿吨油基燃料更是杯水车薪。
实际上，目前备受关注的替代燃料是可能支持船舶实现CO2零排放的。生物LNG可以达到更好的温室气体减排效果。由“灰色”甲醇（将甲醇生产过程中产生的CO2排向大气）向“蓝色”甲醇（将甲醇生产过程中产生的CO2捕捉）的转变将进一步减少排放，再向“绿色”甲醇（甲醇由生物质原料直接获得，或使用捕捉封存的CO2与“绿”氢反应获得）转变便可实现最终理想。马士基在订造甲醇双动力集装箱船时也意在使用“绿色”甲醇，以便未来实现零排放。
在中国，“绿色”甲醇的示范生产已经实现，并有望取得进一步发展。2020年，由中国化学成达公司与海洋石油富岛公司、中国科学院上海高等研究院共同研发设计建设的全球首套5000吨/年CO2加氢制甲醇工业试验装置在海洋石油富岛有限公司已实现稳定运行。目前，宁夏宝丰能源集团正在扩大其30 兆瓦的电解项目，到2021 年底将达到100 兆瓦，氢气将用于生产甲醇（BloombergNEF, 2021）。
与“绿色“甲醇的理念类似，航运业也在研究通过“绿”氨（NH3）等燃料实现零排放。
一直以来，氨主要运用于化肥工业。氨作为燃料的主机技术研究始于第二次世界大战期间，燃料匮乏的比利时成功地在1941—1942年冬季的100辆汽车和从1943年起的8辆公交车上应用了氨和压缩的混合煤气（主要是氢气和一氧化碳）。随着航运业面临脱碳和摆脱对化石燃料依赖的压力，氨看起来是一种有强吸引力的替代燃料。
2019年12月，在“2019年中国国际海事技术学术会议和展览会”上，中国船舶集团发布氨燃料双动力概念超大型集装箱船，引发更多关注。
2021年，一些新造船订单采纳一种便于在今后改装成可增加氨驱动（Ammonia-ready）的设计。在这一年的新订单中，有34艘船舶选用这种设计。但是，氨燃料双动力主机现在仍在研发阶段，还没有成型的产品推出。根据主机厂商的信息，首台可燃烧氨的主机要到2023或2024年才会正式面世。
尽管氨作为燃料在船上的实际应用尚未真正开始，却是航运业实现零排放最具潜力的燃料。首先，氨是氮与氢的化合物，由于不含碳，因此在用作船用燃料时不会排放任何CO2，这创造了零碳推进的可能性。其次，从能量密度来看，氨的体积能量密度与甲醇相似，约为传统化石燃料的1/3，从而使得氨燃料在船上存储具有相对经济可行性。第三，氨的液化需要较少的冷却，在常压下-33°C左右，或者常温在1MPa左右即可成为液态，便于存储和运输（见表）。
但不可忽视的是，氨是一种有毒物质，并且对某些金属材料存在腐蚀性，这较传统船用燃料而言更加危险。此外，氨燃烧时会排出具有刺鼻恶臭的一氧化二氮，该物质也是较强的温室气体，这也是在技术上需要解决的问题。与此同时，与甲醇当前的生产状况类似，氨绝大部分是通过工业生产合成的，在此过程中不可避免要产生CO2，这种氨只能称为‘灰’氨。如果在源头生产过程中捕捉CO2，将可获得‘蓝’氨。生产‘绿’氨则需要利用绿色电能电解水等方式获取氢，再将氢与空气中的氮气合成。
既然“绿”氨需要氢来合成，那何不直接利用氢作为船用清洁燃料呢？实际上，氨是利用氢特性作为燃料，也被称为“氢基”燃料。尽管氢也是一种很好的燃料，但其要求的储存条件比较严苛，易燃易爆的特性导致其危险性较高，近海短程运输船舶会选择氢燃料电池驱动。
无论是”绿“色甲醇、“绿“氨、还是氢，在未来作为船用绿色燃料方面的应用，都离不开一个“电”的概念，这一切还要从“绿”电开始。
2021年，中远海运集团表示：“大力推进船舶受电和港口岸电设施升级改造，分步推动五星旗沿海航行船舶岸电改造，重点推进在建码头岸电配套设施建设；重点打造绿色航运样板工程和绿色航线，推进船舶岸电使用，实现自有船舶靠泊自有港口岸电使用，形成绿色航运建设和推广机制，完善相关标准规范……”岸电正成为其绿色转型的能源来源之一。
在当前全球主要依赖化石能源发电的背景下，岸电来源“绿色化”才能真正促进CO2的减排。近年来，全球有多个港口正通过将风电、光伏电等引入岸电系统实现真正的绿色岸电供应。例如，天津港从山西省河曲飞龙泉风电场、交口祝源光伏电站等50家风电及光伏发电企业采购的电能已输送至天津北疆港区智能化集装箱码头的岸电设施上。
除了岸电之外，电池动力船舶的订造也在增加。在2021年，有83艘船舶选择电池动力或电池混合动力系统，占比4.2%。这些新造船以沿海近洋运营为主。由于电池能源密度的瓶颈仍旧难以突破，以电池驱动的船舶更适宜承担短途运输任务。国际航运商会的研究也表明，要满足一艘全球航行的大型集装箱船的能耗需求，需要至少1万个动力电池，目前的电池技术尚不足以应用于远洋船舶。
然而，电能对于航运业走向“碳中和”仍然意义重大，前文所提及的“绿色”甲醇、“绿”氨以及“绿”氢无一例外需要电解水获取氢基。也就是说，电能的供应、尤其是绿色电能的充足供应是航运业实现碳减排的必由之路。
应该说，随着风能、太阳能、潮汐能等清洁能源获取技术的不断进步，清洁电能不断增多，将为绿色船用燃料的生产提供支撑。不过，一旦与一年超过3亿吨船用燃油当量进行换算，当前的清洁电能供应远远不足。有机构按当前航运业使用的能源量计算，如果完全转换为使用“绿”氨，需要消耗的电能约7万亿千瓦时，几乎与目前中国一年的总发电量相当。
低碳或零碳替代燃料在特性、经济性、可获得性等方面的显著差异，决定了其最佳应用场景将有较大不同，不存在赢者通吃的单一解决方案。对于远洋和近海航运而言，燃料的可获得性、体积能量密度和燃料储存条件将是最重要的考量因素。目前来看可选方案主要有LNG、甲醇、氨等燃料，在氢的高能量密度储存问题解决后，中远期氢燃料将成为具有竞争力的方案之一。对于近岸和内河航运而言，燃料的储存和补给等相对容易实现，因此基于零碳燃料的动力方案选项会更加易于实施。相比较而言，现阶段的电池动力，尤其是可换电的电池动力方案，以及近中期可能形成技术突破的燃料电池方案，将会是比较有竞争力的零碳航运方案选项之一。《“脱碳”航程前的准备与思考————访中国船级社总裁莫鉴辉》，李英，2021）
在实现远期目标上，CO2捕捉或将成为一种替代方案，那么作为石化燃料的LNG甚至油基燃料或将更长久的作为船用燃料的组成部分。当前，已有相关项目取得进展。2021年初，挪威石油和能源部已批准由挪威石油(Equinor)、壳牌和道达尔联合开发的150万吨/年的“北极光”CO2运输和储存项目的开发计划，并已与两家公司签署了最终的国家支持协议。（《中国能源体系碳中和路线图》，国际能源署，2021）
航运需要选择低碳甚至零碳替代燃料。对于需要大量密集型能源的长距离航行船舶来说，选择是替代燃料一项艰巨的任务，不过，航运业或许在日益提升的相关技术下拥有更多选择！在进入业界视野的主要替代燃料中，当前受青睐度最高的是液化天然气（LNG）。
自2018年IMO明确碳减排的目标后，达飞轮船订造9艘23000TEU级和5艘15000TEU级LNG双动力船，中远海能将其在大连船舶重工（集团）订造的4艘超大型油轮升级为LNG双动力船，壳牌石油通过多家船东订造LNG双动力油轮，多家企业成为把LNG作为替代燃料应用在主流船型上的引领者。
由于在LNG船上的应用，LNG作为船用燃料的应用历史已超过10年，技术上已经较为成熟。2021年，越来越多的新造船选择应用LNG双动力系统。在集装箱船领域，这一年有73艘新造船确定选择应用这一系统，占比13%；在油轮领域，45艘新造船确定选择应用这一系统，占比17%；在散货船领域，36艘新造船确定选择应用这一系统，占比8%。克拉克森统计数据显示，在2021年新订单中，有315艘船舶确定选择LNG作为替代燃料，占比16%。
当然，也有很多船东仍旧谨慎确定替代燃料，选择“骑墙”。2021年，有71艘新造船采用一种便于在未来改装成可增加LNG驱动（LNG-ready）的设计。除了加装费用高、设计建造难度大等原因，当前LNG双动力系统甲烷（CH4）逃逸现象也是一个不可忽略的因素。据了解，CH4排放是全球变暖的第二大原因。虽然CH4比CO2受到的关注少，但甲烷减排对于避免气候变暖的也至关重要。与CO2相比，CH4在大气中的寿命较短，但吸收红外线能量的能力约是CO2的26倍。
此外，甲醇、二甲醚、乙醇以及液化石油气（LPG）等也进入航运业减少温室气体的候选名单之中。在这些燃料中，甲醇是一种可以与LNG相媲美的船用燃料。较之LNG的优势是，甲醇在常压常温下是液态，不需要降温加压液化，与传统燃料在船上的储存类似，但是甲醇的单位体积能量密度较低（见表），因此相对于传统燃料，需要较大舱容来储存。在港口加注可获得性方面则几乎与LNG相当，据了解，全球已有超过100个港口可以获取甲醇。
来源：《多措并举，航运业绿色化未来可期》，中国船级社《航运低碳发展展望2021》编写组，2021
2021年，马士基在韩国现代重工订造的（8+4）艘16000TEU级船选用甲醇双动力主机引发广泛关注。此外，这一年马士基在韩国现代尾浦订造的1艘2100TEU级船也使用这一动力系统。
从趋势上看，清洁能源混合动力新造船正呈逐步增加之势。船用主机巨头MAN认为：“双燃料主机订单规模正在扩大，当前其约占总体订单的1/3，传统主机占2/3。我们预计到2025年两种主机的订单比例将达到1∶1。”
不过，目前LNG或甲醇作为船用燃料均有一定比例的CO2排放，无法实现零排放。更为理想的生物燃料在生产和运输中也会产生CO2，而且作为其主要原材料之一的废弃食用油的供应量对于替代每年3亿吨油基燃料更是杯水车薪。
实际上，目前备受关注的替代燃料是可能支持船舶实现CO2零排放的。生物LNG可以达到更好的温室气体减排效果。由“灰色”甲醇（将甲醇生产过程中产生的CO2排向大气）向“蓝色”甲醇（将甲醇生产过程中产生的CO2捕捉）的转变将进一步减少排放，再向“绿色”甲醇（甲醇由生物质原料直接获得，或使用捕捉封存的CO2与“绿”氢反应获得）转变便可实现最终理想。马士基在订造甲醇双动力集装箱船时也意在使用“绿色”甲醇，以便未来实现零排放。
在中国，“绿色”甲醇的示范生产已经实现，并有望取得进一步发展。2020年，由中国化学成达公司与海洋石油富岛公司、中国科学院上海高等研究院共同研发设计建设的全球首套5000吨/年CO2加氢制甲醇工业试验装置在海洋石油富岛有限公司已实现稳定运行。目前，宁夏宝丰能源集团正在扩大其30 兆瓦的电解项目，到2021 年底将达到100 兆瓦，氢气将用于生产甲醇（BloombergNEF, 2021）。
与“绿色“甲醇的理念类似，航运业也在研究通过“绿”氨（NH3）等燃料实现零排放。
一直以来，氨主要运用于化肥工业。氨作为燃料的主机技术研究始于第二次世界大战期间，燃料匮乏的比利时成功地在1941—1942年冬季的100辆汽车和从1943年起的8辆公交车上应用了氨和压缩的混合煤气（主要是氢气和一氧化碳）。随着航运业面临脱碳和摆脱对化石燃料依赖的压力，氨看起来是一种有强吸引力的替代燃料。
2019年12月，在“2019年中国国际海事技术学术会议和展览会”上，中国船舶集团发布氨燃料双动力概念超大型集装箱船，引发更多关注。
2021年，一些新造船订单采纳一种便于在今后改装成可增加氨驱动（Ammonia-ready）的设计。在这一年的新订单中，有34艘船舶选用这种设计。但是，氨燃料双动力主机现在仍在研发阶段，还没有成型的产品推出。根据主机厂商的信息，首台可燃烧氨的主机要到2023或2024年才会正式面世。
尽管氨作为燃料在船上的实际应用尚未真正开始，却是航运业实现零排放最具潜力的燃料。首先，氨是氮与氢的化合物，由于不含碳，因此在用作船用燃料时不会排放任何CO2，这创造了零碳推进的可能性。其次，从能量密度来看，氨的体积能量密度与甲醇相似，约为传统化石燃料的1/3，从而使得氨燃料在船上存储具有相对经济可行性。第三，氨的液化需要较少的冷却，在常压下-33°C左右，或者常温在1MPa左右即可成为液态，便于存储和运输（见表）。
但不可忽视的是，氨是一种有毒物质，并且对某些金属材料存在腐蚀性，这较传统船用燃料而言更加危险。此外，氨燃烧时会排出具有刺鼻恶臭的一氧化二氮，该物质也是较强的温室气体，这也是在技术上需要解决的问题。与此同时，与甲醇当前的生产状况类似，氨绝大部分是通过工业生产合成的，在此过程中不可避免要产生CO2，这种氨只能称为‘灰’氨。如果在源头生产过程中捕捉CO2，将可获得‘蓝’氨。生产‘绿’氨则需要利用绿色电能电解水等方式获取氢，再将氢与空气中的氮气合成。
既然“绿”氨需要氢来合成，那何不直接利用氢作为船用清洁燃料呢？实际上，氨是利用氢特性作为燃料，也被称为“氢基”燃料。尽管氢也是一种很好的燃料，但其要求的储存条件比较严苛，易燃易爆的特性导致其危险性较高，近海短程运输船舶会选择氢燃料电池驱动。
无论是”绿“色甲醇、“绿“氨、还是氢，在未来作为船用绿色燃料方面的应用，都离不开一个“电”的概念，这一切还要从“绿”电开始。
2021年，中远海运集团表示：“大力推进船舶受电和港口岸电设施升级改造，分步推动五星旗沿海航行船舶岸电改造，重点推进在建码头岸电配套设施建设；重点打造绿色航运样板工程和绿色航线，推进船舶岸电使用，实现自有船舶靠泊自有港口岸电使用，形成绿色航运建设和推广机制，完善相关标准规范……”岸电正成为其绿色转型的能源来源之一。
在当前全球主要依赖化石能源发电的背景下，岸电来源“绿色化”才能真正促进CO2的减排。近年来，全球有多个港口正通过将风电、光伏电等引入岸电系统实现真正的绿色岸电供应。例如，天津港从山西省河曲飞龙泉风电场、交口祝源光伏电站等50家风电及光伏发电企业采购的电能已输送至天津北疆港区智能化集装箱码头的岸电设施上。
除了岸电之外，电池动力船舶的订造也在增加。在2021年，有83艘船舶选择电池动力或电池混合动力系统，占比4.2%。这些新造船以沿海近洋运营为主。由于电池能源密度的瓶颈仍旧难以突破，以电池驱动的船舶更适宜承担短途运输任务。国际航运商会的研究也表明，要满足一艘全球航行的大型集装箱船的能耗需求，需要至少1万个动力电池，目前的电池技术尚不足以应用于远洋船舶。
然而，电能对于航运业走向“碳中和”仍然意义重大，前文所提及的“绿色”甲醇、“绿”氨以及“绿”氢无一例外需要电解水获取氢基。也就是说，电能的供应、尤其是绿色电能的充足供应是航运业实现碳减排的必由之路。
应该说，随着风能、太阳能、潮汐能等清洁能源获取技术的不断进步，清洁电能不断增多，将为绿色船用燃料的生产提供支撑。不过，一旦与一年超过3亿吨船用燃油当量进行换算，当前的清洁电能供应远远不足。有机构按当前航运业使用的能源量计算，如果完全转换为使用“绿”氨，需要消耗的电能约7万亿千瓦时，几乎与目前中国一年的总发电量相当。
低碳或零碳替代燃料在特性、经济性、可获得性等方面的显著差异，决定了其最佳应用场景将有较大不同，不存在赢者通吃的单一解决方案。对于远洋和近海航运而言，燃料的可获得性、体积能量密度和燃料储存条件将是最重要的考量因素。目前来看可选方案主要有LNG、甲醇、氨等燃料，在氢的高能量密度储存问题解决后，中远期氢燃料将成为具有竞争力的方案之一。对于近岸和内河航运而言，燃料的储存和补给等相对容易实现，因此基于零碳燃料的动力方案选项会更加易于实施。相比较而言，现阶段的电池动力，尤其是可换电的电池动力方案，以及近中期可能形成技术突破的燃料电池方案，将会是比较有竞争力的零碳航运方案选项之一。《“脱碳”航程前的准备与思考————访中国船级社总裁莫鉴辉》，李英，2021）
在实现远期目标上，CO2捕捉或将成为一种替代方案，那么作为石化燃料的LNG甚至油基燃料或将更长久的作为船用燃料的组成部分。当前，已有相关项目取得进展。2021年初，挪威石油和能源部已批准由挪威石油(Equinor)、壳牌和道达尔联合开发的150万吨/年的“北极光”CO2运输和储存项目的开发计划，并已与两家公司签署了最终的国家支持协议。（《中国能源体系碳中和路线图》，国际能源署，2021）
云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作，以单原子铜锚定二氧化钛，成功制备新型光催化剂，其分解水制氢量子效率高达56%。这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。
把一些白色粉末扔进水里，不用电，也不用加热或消耗其他能源，就凭太阳光或LED光源照射，水就能源源不断分解成氢气和氧气。
更令人惊奇的是，即使经过几百个小时的实验，这种白色粉末的量并没有减少，只要有水和光照，氢气就能持续不断产生。
云南大学材料与能源学院实验室柳清菊已经成功开展了这个令人兴奋的实验，其相关论文已刊发在《自然-通讯》杂志上。
柳清菊团队通过大量研究发现，选用金属铜（Cu）改性二氧化钛（TiO2），采用特别的方法使铜以单原子形式牢固锚定于具有大比表面的TiO2纳米颗粒表面，单个原子作为化学反应的活性位点，使光催化活性达到最大化，产氢量子效率一下子就大幅提高到56%，在国际上首先实现了量子效率的突破。
01提高催化效率才能助推光解水制氢走向实用化
氢能是一种清洁无污染的可再生能源，燃烧值很高，可达每千克140兆焦耳，其具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点，有望代替石油和天然气，因而受到世界范围的广泛关注。若能得以大规模实际应用，将为“双碳”目标的顺利实现作出贡献。
“目前，制备氢的主要方法有化石燃料制氢和电解水制氢，但两种方法都需消耗传统能源。”柳清菊向科技日报记者介绍，化石燃料制氢，二氧化碳排放量大，每生产1千克氢气，将产生10千克左右的二氧化碳；而电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在环境和能源问题日益严重的今天，开发清洁、可持续、低成本的制氢技术，推进氢能的发展显得尤为迫切和重要。”柳清菊说，采用光催化技术，利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的新方法。
自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来，光解水制氢一直受到学术界及产业界的关注与重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下，光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带，形成“电子—空穴”对，空穴和电子迁移到材料表面，与表面吸附的水分子发生氧化还原反应，也就是电子与水发生还原反应产生氢气，空穴氧化水产生氧气。
然而，由于电子带负电，空穴带正电，使得光催化材料中光照所产生的“电子—空穴”很容易复合，导致产氢量子效率低下，严重阻碍了光解水制氢的发展。因此，如何阻止“电子—空穴”的复合，提高光催化制氢效率，成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一，也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。
这其中，光催化材料是核心。而光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。
02铜离子“补位”新型光催化材料设计制备突破瓶颈
金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂。相比传统金属催化剂，金属单原子催化剂中的原子以单个的形式负载在载体上，在催化反应中可充分参与反应，实现反应活性中心的最大化，利用效率可接近100%，在理论上可以同时提高催化活性并降低成本。
然而由于单原子具有极高的表面能，在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高，阻碍了其实际应用。
“这次起光催化作用的二氧化钛，是一种钛和氧规则排列的晶体，我们通过独特的合成工艺，在其中生成大量的钛空位。”柳清菊向记者解释，有了这些钛空位，就可以请铜离子来帮忙“补位”。
“通过对钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成，我们研制出具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料，以此为载体锚定过渡金属铜单原子，使铜与二氧化钛形成了牢固的‘铜—氧—钛’键。”柳清菊介绍，在光催化制氢反应过程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化，大大促进了光生“电子—空穴”的分离和传输，大幅提高了光生电子的利用率，使产氢量子效率获得突破，达到56%。这项突破获得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和材料化学终身教授唐军旺团队的验证。
03成本、工艺更“亲民”光解水制氢产业已初露曙光
新研制的二氧化钛基光催化材料，具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点，且生物相容性好、制备方法简单、成本低，与传统方法相比优势明显。通常含贵金属的催化剂，催化活性高，但相应的成本也极高。“新材料中，我们用的是‘贱金属’铜，它储量大、价格低、易获得，这是成本降低的第一个方面。” 柳清菊介绍，此外，原有的催化材料中单个金属原子活性很大，很容易形成团簇，使得催化活性降低。
研发团队将铜原子牢固地锚定在钛空位上，不容易团聚，创新性地解决了这个问题，稳定时间很长，在常温常湿条件下，样品放置380天之久，仍然具有与新制备样品相当的产氢性能，进一步降低了产氢成本；另外，新型光催化材料制备工艺简单，无需昂贵的设备，使光催化制氢更加“亲民”。
近年来，柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究，包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等，已获得稳定的高性能光解水制氢光催化材料的实验室制备工艺，正准备开展放大工艺研发，为后续产业化奠定基础。虽然传统的光催化材料成本高、量子效率低，国内光催化产氢市场尚未成熟，但随着产业链衔接及相关政策的完善，光催化制氢产业化已是曙光初露。
对柳清菊团队而言，56%的产氢量子效率也不是终点。“我们还在继续努力，使效率进一步提高，如果能够提高到70%以上，对生产应用的意义将是不言而喻的。”柳清菊说，找准了方向，效率再提升将不是梦。随着光解水效率进一步提高和成本进一步降低，氢能时代将加速到来，人类也将还地球以绿水青山。#流程工业新闻#
把一些白色粉末扔进水里，不用电，也不用加热或消耗其他能源，就凭太阳光或LED光源照射，水就能源源不断分解成氢气和氧气。
更令人惊奇的是，即使经过几百个小时的实验，这种白色粉末的量并没有减少，只要有水和光照，氢气就能持续不断产生。
云南大学材料与能源学院实验室柳清菊已经成功开展了这个令人兴奋的实验，其相关论文已刊发在《自然-通讯》杂志上。
柳清菊团队通过大量研究发现，选用金属铜（Cu）改性二氧化钛（TiO2），采用特别的方法使铜以单原子形式牢固锚定于具有大比表面的TiO2纳米颗粒表面，单个原子作为化学反应的活性位点，使光催化活性达到最大化，产氢量子效率一下子就大幅提高到56%，在国际上首先实现了量子效率的突破。
01提高催化效率才能助推光解水制氢走向实用化
氢能是一种清洁无污染的可再生能源，燃烧值很高，可达每千克140兆焦耳，其具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点，有望代替石油和天然气，因而受到世界范围的广泛关注。若能得以大规模实际应用，将为“双碳”目标的顺利实现作出贡献。
“目前，制备氢的主要方法有化石燃料制氢和电解水制氢，但两种方法都需消耗传统能源。”柳清菊向科技日报记者介绍，化石燃料制氢，二氧化碳排放量大，每生产1千克氢气，将产生10千克左右的二氧化碳；而电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在环境和能源问题日益严重的今天，开发清洁、可持续、低成本的制氢技术，推进氢能的发展显得尤为迫切和重要。”柳清菊说，采用光催化技术，利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的新方法。
自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来，光解水制氢一直受到学术界及产业界的关注与重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下，光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带，形成“电子—空穴”对，空穴和电子迁移到材料表面，与表面吸附的水分子发生氧化还原反应，也就是电子与水发生还原反应产生氢气，空穴氧化水产生氧气。
然而，由于电子带负电，空穴带正电，使得光催化材料中光照所产生的“电子—空穴”很容易复合，导致产氢量子效率低下，严重阻碍了光解水制氢的发展。因此，如何阻止“电子—空穴”的复合，提高光催化制氢效率，成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一，也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。
这其中，光催化材料是核心。而光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。
02铜离子“补位”新型光催化材料设计制备突破瓶颈
金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂。相比传统金属催化剂，金属单原子催化剂中的原子以单个的形式负载在载体上，在催化反应中可充分参与反应，实现反应活性中心的最大化，利用效率可接近100%，在理论上可以同时提高催化活性并降低成本。
然而由于单原子具有极高的表面能，在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高，阻碍了其实际应用。
“这次起光催化作用的二氧化钛，是一种钛和氧规则排列的晶体，我们通过独特的合成工艺，在其中生成大量的钛空位。”柳清菊向记者解释，有了这些钛空位，就可以请铜离子来帮忙“补位”。
“通过对钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成，我们研制出具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料，以此为载体锚定过渡金属铜单原子，使铜与二氧化钛形成了牢固的‘铜—氧—钛’键。”柳清菊介绍，在光催化制氢反应过程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化，大大促进了光生“电子—空穴”的分离和传输，大幅提高了光生电子的利用率，使产氢量子效率获得突破，达到56%。这项突破获得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和材料化学终身教授唐军旺团队的验证。
03成本、工艺更“亲民”光解水制氢产业已初露曙光
新研制的二氧化钛基光催化材料，具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点，且生物相容性好、制备方法简单、成本低，与传统方法相比优势明显。通常含贵金属的催化剂，催化活性高，但相应的成本也极高。“新材料中，我们用的是‘贱金属’铜，它储量大、价格低、易获得，这是成本降低的第一个方面。” 柳清菊介绍，此外，原有的催化材料中单个金属原子活性很大，很容易形成团簇，使得催化活性降低。
研发团队将铜原子牢固地锚定在钛空位上，不容易团聚，创新性地解决了这个问题，稳定时间很长，在常温常湿条件下，样品放置380天之久，仍然具有与新制备样品相当的产氢性能，进一步降低了产氢成本；另外，新型光催化材料制备工艺简单，无需昂贵的设备，使光催化制氢更加“亲民”。
近年来，柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究，包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等，已获得稳定的高性能光解水制氢光催化材料的实验室制备工艺，正准备开展放大工艺研发，为后续产业化奠定基础。虽然传统的光催化材料成本高、量子效率低，国内光催化产氢市场尚未成熟，但随着产业链衔接及相关政策的完善，光催化制氢产业化已是曙光初露。
对柳清菊团队而言，56%的产氢量子效率也不是终点。“我们还在继续努力，使效率进一步提高，如果能够提高到70%以上，对生产应用的意义将是不言而喻的。”柳清菊说，找准了方向，效率再提升将不是梦。随着光解水效率进一步提高和成本进一步降低，氢能时代将加速到来，人类也将还地球以绿水青山。#流程工业新闻#
说莲子大家都会想到建宁莲子，建宁是“中国建莲之乡”，土层厚、土质肥、水质好，给莲子生长创造了极好的条件。所以我们选用的是一粒莲莲子。
地理环境：地点处于武夷山脉中段，闽江正源头，那里日夜温差大，山间莲田，用泉水进行浇灌。
加工技术：建宁莲子的加工技术是十分讲究的，需要在清晨阳光未照射之前人工采摘莲蓬。
产品特点：久煮不散、通心率高、入口软糯且拒绝熏硫。
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