中国科学院金属研究所近日宣布，该所团队在二氧化钛中引入稀土元素钪，设计出具有定向光生电荷传输通道的催化材料，大幅提升了制氢效率。

太阳能制氢主要有发电后电解水和太阳光直接光解水两种方式。二氧化钛虽被称为“光催化材料”，但被激活的电子和空穴易复合，且高温制备易形成原子级缺陷，降低制氢效率。

科研团队通过“元素替代”和“结构整容”解决问题。他们选择稀土元素钪，因其离子半径与钛相近、价态能中和氧空位带来的电荷失衡、还能重构晶体原子排布。引入5%钪原子后，成功制备出特定晶面组成的金红石相二氧化钛，形成“电荷高速公路”和强电场，提升了光生电荷分离效率。

测试结果显示，改造后的半导体光催化材料性能显著提升，光生电荷分离效率提升200余倍，量子利用率突破30%，产氢效率比原来高出15倍。

未来光催化分解水效率进一步突破后，有望实现产业应用，助力能源结构转型升级。