陽光是地球上最豐富的能源之一，但我們無法隨時隨地使用它。這是因為儲存太陽能及將其從陽光充足的地區運送到光照有限的地方，仍然是昂貴且低效的。然而，一組研究人員現在展示了，陽光可以利用簡單的化學材料儲存在液體中，並在完全黑暗中轉化為氫氣。此外，這種方法不需要電線、電池或電網來運輸能量。而且，直到目前為止，沒有使用簡單的商用材料的系統能夠在沒有外部電力的情況下儲存太陽能並釋放為氫氣。新的研究顯示，這一障礙終於被突破。
研究小組使用兩種廉價的現成材料建造了他們的系統。第一種是石墨氮化碳，這是一種可以吸收可見光並充當光催化劑的黃色粉末。第二種是鉬酸銨，這是一種由鉬和氧原子組成的集群，可以接受並儲存多個電子，類似於一個微型可充電電池。這一過程發生在水中，並添加少量甲醇。甲醇在過程中扮演關鍵角色，吸收當光線照射到氮化碳時產生的“正電荷”。這防止電子快速重組並消失，允許它們被儲存。因此，系統不需要分解純水，而是需要甲醇作為犧牲幫手。
當氮化碳被藍光照射時，它會產生電子和孔的對。電子迅速跳入附近的鉬集群。隨著電子的積累，溶液的顏色從淺黃色變為深藍色，這明顯表明鉬原子從 +6 的電荷狀態被還原到 +5 的電荷狀態，並且太陽能現在以化學形式儲存。這一轉移之所以如此有效，主要有兩個原因。首先，在酸性條件下，氮化碳的表面會變成正電荷，而鉬集群則呈負電荷。相反的電荷相互吸引，使兩種材料緊密結合，從而允許電子有效地在它們之間流動。其次，它們的能量水平匹配良好，因此電子可以自然流動，而不需要外部推動。
一旦關閉光源，儲存的能量並不會消失。為了釋放這些能量，研究人員只需向暗處的溶液中添加鉑碳催化劑。鉑提供了儲存電子與水中的質子結合形成氫氣的地方。這樣，捕獲陽光、儲存能量和氫氣生產被分為不同的步驟，甚至可以在不同的時間發生。經過一小時的光照，系統在黑暗中產生了 13.5 微摩爾的氫氣，峰值氫氣產生率達到每克每小時 3,220 微摩爾，這是迄今為止在黑暗光催化系統中報告的最高數據。戶外實驗在實際陽光下進行，同樣成功，在黑暗中達到每克每小時 954 微摩爾的產量，這一切都不需要任何電力。
先進測量確認了系統的運作方式。光發射研究顯示，電子存活得更久，因為它們有地方去。光譜學揭示了在光照下鉬原子捕獲電子的過程。磁性測量僅在照明時檢測到還原的鉬物質。這些結果共同確認了太陽能確實被儲存並在需求時釋放。研究作者表示，這一系統在將太陽能作為電子儲存方面顯示出卓越的效率。
這項工作展示了，太陽能可以被捕獲、儲存、以液體形式運輸，並在沒有高壓罐、極端低溫或電力的情況下轉化為氫氣。如果未來的實驗證明儲存的電子可以穩定數周而不是數小時，這種方法可能使得在陽光充足的地區收集的太陽能能夠運送到世界上較暗的地區，並在需要時轉化為燃料。然而，當前方法也存在一些限制。例如，該系統依賴甲醇而非純水，並且尚未證明能夠在實驗室時間尺度之外進行長期儲存。希望未來的研究能夠解決這些限制，最終將太陽能運輸從一個有前景的概念轉變為可行的現實技術。這項研究發表在《Advanced Materials》期刊上。
