开上氢能源汽车，加氢3分钟就能跑800公里，还是零排放，随着制氢技术的发展和产业化应用，这一场景有望成为现实。在碳达峰、碳中和背景下，氢能成为未来的重要能源，如何高效、低成本制氢，特别是光解水制“绿氢”是许多科学家研究的方向。

北京时间2022年10月18日4时，上海理工大学材料与化学学院化学系廉孜超特聘教授和京都大学化学研究所“通过等离子体能量上转换利用红外太阳能”（Harnessing infrared solar energy with plasmonic energy upconversion）的研究成果发表于绿色可持续发展技术和环境科学领域国际顶级期刊《自然-可持续发展》(Nature Sustainability)。研究提供了一种利用光解水未开发的太阳能红外光区诱导材料能量转化的新方案，在国际上填补了非贵金属实现高效的等离激元能量上转换效率这一领域的空白，意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。

《自然-可持续发展》Nature Sustainability论文封面图

太阳光光谱中包含5%的紫外光、43%的可见光和52%的红外光，以往有关光催化的研究大多限制在紫外光和可见光范围内，而几乎占太阳能一半的红外光却被白白浪费了。是否可以开发出能够拓展太阳光谱响应范围的光催化剂，从而充分利用太阳光资源呢？

带着这样的疑问，廉孜超教授团队进行了深入研究，创造性地提出使用半金属-半导体性质的硫化铜（CuS）构建半导体异质结，形成良好的等离子体红外到可见能量上转换系统，从而大幅提升红外光利用率，也使氢能的规模化、平价化应用成为可能。

“当入射光子频率恰好与金属纳米颗粒或金属传导电子的整体振动频率相匹配，可以视为光子成功‘拨通电话’，并被振荡‘接通电话’后吸收，只有极少的光发生散射，此时光谱上出现一个较强的共振吸收峰，产生的表面等离激元电子和空穴会同时传递到临近的宽禁带半导体上面。”廉孜超教授团队，将这一过程形象地称为“等离子体爬坡”，并介绍这意味着光催化剂中的等离激元只要攀升到能发生局域表面等离子体共振的“坡”上，就能实现能量的增强和转化，将太阳能中的红外光能转换为可见光能，最终达到提高光解水红外光利用率的目的。

上海理工大学 廉孜超特聘教授

在利用红外光让“水变氢”的过程中，光催化材料是核心，材料的活性、稳定性和成本则是决定光催化技术能否实际应用的关键。“关于等离激元上转换，目前只有极少数的课题组报道过，主要集中在金银合金修饰的GaAs半导体，其能量转换效率在0.1-1%。而廉孜超教授团队利用硫化铜成本更低，转换效率达到5.1%。”

红外光到可见光能量上转换机理图

整个研究历时5年之久，廉孜超研究团队辗转国内外，远赴丰田工业大学和日本立命馆大学做瞬态吸收光谱相关测试。测试过程中，团队尝试多种可能的方法，发现了高效率的等离子体空穴的转移现象，对等离子体红外到可见能量上转换系统的构建有了初步构想。由于等离激元上转换这一领域涉足者鲜少，廉孜超团队选择的“拓荒之路”注定充满艰辛。催化剂在转换系统中扮演着重要角色，而研究团队把兴趣称作科研过程中最好的“催化剂”功夫不负有心人，最终研究团队将红外光到可见光的等离激元能量上转换效率推至5%以上。