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撰文：埃里克·斯莫利（Eric Smalley）
翻译：Joy
近年来，利用二氧化钛光催化剂分解水制备氢气作为一项大有希望的研究课题在世界范围内被广泛研究，但是还存在氢气转换率低的问题。最近，美国科学家利用6微米长的二氧化钛纳米管将氢气的转化效率提高了12％以上。
通往氢经济（hydrogen economy）的道路正在变得更加“光明”。现在，分解水分子释放氢气的纳米管可以更加有效地工作，而且它们很快就能利用阳光中的可见光部分了。
在工程上，利用阳光来分解水有三种方式：一种是太阳能电池，它保持着水分解效率的记录，但相当昂贵；另一种使用微生物，它并不昂贵，但目前只能产生极少量的氢气；第三种是光催化法，它依赖于半导体中短暂出现的游离电子（freed electron）——与水分子接触的电子会替换氢－氧化学键中的电子，这样，它们就能将水分解，产生氢气。光催化剂可能比太阳能电池更便宜，产生的氢气也比微生物法更多。
问题在于，用于水分解的光催化剂必须在水中才能工作，这些光催化剂只对紫外线发生反应，而紫外线在阳光中大约只占4％。那些能够吸收阳光辐射中更丰富的可见光部分的物质，本身又容易在水中分解。
科学家已经转而使用二氧化钛纳米管来解决效率问题。管状二氧化钛的效率约为传统薄膜状二氧化钛的5倍，因为管状的外形可以使电子更持久地保持自由状态。因此，一个电子拥有更多的机会来分解一个水分子。
二氧化钛纳米管经过改造，能
美国宾夕法尼亚州立大学电气工程师克雷格·格里姆斯（Craig Grimes）和他的团队，已经成功利用6微米长的二氧化钛纳米管，将紫外线到氢气的转换效率提升到12％以上。在1瓦特紫外线的照射下，纳米管每小时可以产生80毫升的氢气，这是纯光催化系统的最高效率记录。
现在，两个科研团队——美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学家艾伦·巴德（Allen Bard）和同事，以及宾夕法尼亚州立大学的研究者——已经开始设计能够对可见光发生反应的二氧化钛纳米管了。他们把碳加到二氧化钛纳米管中，使纳米管吸收的光波波长向电磁波谱的可见光部分偏移。巴德说，在一种人造的紫外线和可见光的混合光源照射下，这种偏移令水分解的效率增加了1倍。他们的下一步计划是，开发一种能够在纯可见光下仍然保持高效的纳米管材料。
这两个团队的目标是，将二氧化钛纳米管在可见光中的水分解效率提升到10％以上，这是美国能源部近几年内的目标。格里姆斯进行过计算，如果用一种在可见光下效率可达12％的光催化剂来覆盖美国一户普通人家的屋顶，那么它每天制造的氢气约相当于11升汽油。