一、氢能经济:最“完美”的可持续能源方案
能源与环境危机是制约全球可持续发展的大问题。氢能经济(Hydrogen economic)是20世纪70年代提出的一个最“完美”的可持续能源方案，以氢为媒介(制备、储存、运输和转化)的一种未来的经济结构设想。以用之不竭的太阳光驱动，利用水制造氢气。
作为能源，氢能有着很优秀的品质:(1)氢气含能高，除核燃料外，氢的发热值是目前所有燃料中最高的，是汽油的3倍。氢的高能，使氢成为推进航天器的重要燃料之一。(2)氢气是一种清洁能源，本身无毒，燃烧产物是水，无污染，且可以循环使用。(3)氢的来源也非常广泛和廉价。所以可以这么说，氢能是最理想的、完美的能源。
而氢能作为一种高效、清洁、可持续的“无碳”能源已得到世界各国的普遍关注，被誉为21世纪的能源。发展氢能经济是人类摆脱对化石能源的依赖、保障能源安全的永久性战略选择。
二、两大瓶颈制约太阳能制氢发展
然而，长久以来太阳能制氢的发展停滞不前，“氢能经济时代”的大门似乎已经关闭。其原因在于两方面技术瓶颈。一方面，氢气生成后很难与氧气分离，其收集很困难，氢与氧容易发生逆反应变回为水分子;另一方面，氢气的安全存储是一项长期的挑战。氢气(H2)与氧气(O2)混合极易发生反应，产生爆炸，十分危险。此外，传统利用金属钢瓶来储氢成本高，运输和使用都很不方便。因此，在开发出低成本收集氢气和安全储氢的解决方案之前，太阳能光解水制氢无法得以有效的大规模应用。
三、首个太阳能制氢储氢一体化的材料体系
为解决上述问题，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室罗毅、江俊研究小组设计了一种“三明治”结构材料体系。该研究小组长期深耕于太阳能光催化材料的理论设计并精准调控其电子演化行为，提出了一系列在实验中行之有效的光催化体系。此次他们基于量子化学理论，设计了首个太阳能制氢储氢一体化的材料体系，该方案具有低成本、通用性、安全储氢的优点。相关成果以Combiningphotocatalytic hydrogen generation and capsule storage in graphene basedsandwich structures为题发表在《自然?通讯》(Nature Communications)上。
这项工作是受到了石墨烯的发现者、诺贝尔奖得主安德烈·海姆近年工作的启发:石墨烯能够隔绝所有气体和液体，却对质子能够“网开一面”，大方放行。利用这一大自然给质子开的“方便之门”，江俊等设计了一种三明治结构，其中碳氮材料成为了两层官能团修饰的石墨烯的“夹心”。
这种“夹心”的三明治结构可以同时吸收紫外光和可见光，利用源源不断的太阳光能产生正负电荷。带有能量的正负电荷将迅速分离并分别跑到外层石墨烯和碳氮夹心层，充分的施展出二者各自的能力。
当水分子遇见了外层的正电荷，反应的“火花”产生了，水分子发生分解，产生质子。这些产生的质子可并不安分，它们受夹心层碳氮上的负电荷召唤(如图1内建电场的偶极矩所示)，穿透石墨烯材料，欢快的运动到内部的碳氮材料上，与早早等待它们的电子发生反应产生氢气。由于石墨烯仅仅对质子有“偏爱”，光解水产生的氢气无法穿透石墨烯材料，只能安稳的呆在三明治复合体系内;同时，石墨烯的这种“偏爱”也使得氧原子与分子(O2)，羟基(OH)等无法进入复合体系，抑制了氧与氢重新变为水的逆反应发生，实现了高储氢率下的安全储氢。
就这样，用不含金属的低成本材料，江俊等巧妙地抑制了太阳能制氢的逆反应发生，实现了氢气的有效提纯，实现了首个安全制氢与储氢一体化的设计。
而这个三明治复合体系将不仅仅局限于石墨烯和碳氮材料，其他经官能团修饰的低维碳材料(如富勒烯，碳纳米管等)和光催化剂也可以用于这一复合体系中。这将为实现太阳能转换为氢能，以及氢能的大规模应用解决最困难的氢气分离和安全存储运输两个瓶颈问题，为再次启动“氢能经济时代”打开了大门。
相关工作得到了科技部青年973项目、国家自然科学基金、中国科学院先导项目的资助，该论文第一作者为化学学院博士生杨丽，李喜玉和张国桢博士为并列一作，江俊为通讯作者。