寫稿
投稿
要大規(guī)模地將水分解成氫氣，我們需要可持續(xù)、高效、可擴(kuò)展和持久的技術(shù)。利用太陽能(或其他可再生能源)來分解水可以帶來可持續(xù)性，而最近的研究已經(jīng)在效率和可擴(kuò)展性方面取得了關(guān)鍵進(jìn)展?，F(xiàn)在，日本研究人員表示，他們在耐久性方面邁出了重要的一步。
（使用半透明的二氧化鈦光陽極可以使SiC光電陰極利用透射光。使用具有不同能量間隙的光催化劑可以提高轉(zhuǎn)換效率。）
現(xiàn)在的氫主要來自天然氣，而天然氣會向大氣中排放大量的碳和甲烷污染物。相比之下，可持續(xù)的太陽能到氫氣的方法集中在光電化學(xué)(PEC)水分解。在名義上不產(chǎn)生溫室氣體的PEC系統(tǒng)中，特殊的催化劑材料吸收陽光，直接將水分解成氫氣和氧氣。但這些設(shè)備也受到了低效率和壽命的限制。雖然之前的PEC技術(shù)通常只持續(xù)一周左右，但新系統(tǒng)的壽命明顯更長。
名古屋理工學(xué)院電氣機(jī)械工程教授Masashi Kato說:“我們確認(rèn)了100天的耐用性，這是實驗證實的PEC水裂解材料中最長的一種。”他說，對于可以安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的免維護(hù)系統(tǒng)來說，耐久性將是關(guān)鍵。
綠色氫的研究和技術(shù)已經(jīng)在世界各地獲得了勢頭。有幾家公司和一些計劃正在利用風(fēng)能或太陽能通過電解來分解水。
利用PEC直接太陽能水分解是一種更優(yōu)雅、一步的方法來利用太陽能生產(chǎn)氫氣。但事實證明，要大規(guī)模做到這一點頗具挑戰(zhàn)性。這些設(shè)備還不夠便宜、高效、耐用，還不能走出實驗室。
光催化劑在PEC器件中起著重要作用。加藤和他的同事們設(shè)計了一個串聯(lián)的PEC裝置，它使用兩個電極，每個電極上都涂有不同的催化劑。一種是二氧化鈦，一種常用在白色涂料和防曬霜中使用的材料，另一種是加藤的團(tuán)隊開發(fā)并報道過的立方碳化硅。
這兩種催化劑吸收光譜的不同部分，并以互補(bǔ)的方式分解水。二氧化鈦是一種N型光催化劑，它能吸收紫外線并產(chǎn)生電子，引發(fā)產(chǎn)生氧氣的化學(xué)反應(yīng)。研究人員制造的碳化硅材料是一種P型催化劑，可以吸收可見光產(chǎn)生氫氣。
當(dāng)將該裝置置于水中時，這兩種反應(yīng)共同維持一段時間，將水分解成氫和氧。加藤說，與之前的技術(shù)相比，這一技術(shù)的壽命提高了5倍，可以實現(xiàn)100天的作業(yè)。
該系統(tǒng)的效率發(fā)表在《太陽能材料和太陽能電池》雜志上，相對較低，僅為0.74%。大多數(shù)太陽能氫技術(shù)的效率達(dá)到了1- 2%的范圍，但一些研究團(tuán)隊已經(jīng)實現(xiàn)了顯著更高的效率。來自意大利和以色列的研究人員最近報告了一種方法，利用半導(dǎo)體納米棒頂部的鉑球，將近4%的太陽能轉(zhuǎn)化為氫燃料。
魯汶大學(xué)(KU Leuven)的一個比利時研究團(tuán)隊在2019年報告了一種太陽能電池板原型，它從空氣中吸收水分，并將其分解為氫和氧，效率為15%。根據(jù)美國能源部，5- 10%的效率應(yīng)該足夠一個實用的太陽能氫系統(tǒng)。
加藤說，是二氧化鈦電極限制了該系統(tǒng)的效率，該團(tuán)隊現(xiàn)在正在尋找其他的光催化劑來提高效率，仍然可以與碳化硅電極協(xié)同工作。然而，耐用性和效率的結(jié)合仍然使他們的設(shè)備與眾不同，他說。
資料參考：
《Solar-to-Hydrogen Water Splitter Outlasts Next Best Tech By 14x》——Prachi Patel
