納米技術(shù)促進氫燃料生產(chǎn)

氫納米技術(shù)汽油等基于碳氫化合物的燃料會造成污染和碳足跡。自20世紀(jì)70年代以來，氫一直被認為是化石燃料的良好替代品。但是氫的潛力還沒有被實現(xiàn)，甚至部分原因是由于儲存和商業(yè)生產(chǎn)的困難。關(guān)于氫等可再生能源的研究已經(jīng)進行了好幾年了。

氫的使用面臨的困難

氫是一種更清潔的可再生能源，只要解決了安全儲存和容易獲取這兩個問題。將氫固定成固體的傳統(tǒng)方法并不十分成功。儲存時吸收的氫量太少，而釋放氫需要太高的加熱或冷卻等復(fù)雜的方法，這使其在商業(yè)上不可行。

舊金山—斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種生產(chǎn)氫燃料的方法，該方法排放量更少且更穩(wěn)定。長期以來，氫燃料一直被吹捧為汽油的替代品，但由于缺乏加油站并且需要非零排放的生產(chǎn)過程，因此不切實際。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授崔毅說：“如果清潔氫燃料便宜且廣泛可用，數(shù)百萬輛汽車就可以使用它。”

為了解決二氧化碳排放問題，崔和他的同事們使用了光伏水分解——一種將太陽能電極浸入水中的新興技術(shù)。當(dāng)陽光照射到電極上時，它會產(chǎn)生電流，將水分解成其組成部分，即氫和氧。盡管如此，由硅制成的傳統(tǒng)太陽能電極在暴露于氧氣時會迅速腐蝕。

氫氣是一種可再生能源，如果能夠更便宜且更容易地進行生產(chǎn)，就可以在應(yīng)對氣候變化方面發(fā)揮重要作用。通常而言，“裂水制氫”(將水分解成氫和氧)是最可持續(xù)、也是最方便的方法，但有效地進行電解一直是一個挑戰(zhàn)。

斯坦福大學(xué)的方法 使用了釩酸鉍，這是一種廉價的化合物，可以吸收陽光，具有很高的抗腐蝕穩(wěn)定性。釩酸鉍發(fā)電量適中，但其性能“仍遠低于其理論的太陽能-氫氣轉(zhuǎn)換效率，”崔在一份新聞稿中表示。

為了承載電流，由釩酸鉍制成的太陽能電池必須為 200 納米或更小，使其幾乎透明。結(jié)果，可用于發(fā)電的可見光簡單地穿過電池。為了在陽光逃逸之前捕獲陽光，崔的團隊轉(zhuǎn)向納米技術(shù)，并創(chuàng)建了包含數(shù)千個硅納米錐的微觀陣列，每個納米錐高約 600 納米。

“納米錐結(jié)構(gòu)在廣泛的波長范圍內(nèi)顯示出有前途的光捕獲能力，”崔說?！懊總€錐體的形狀都經(jīng)過優(yōu)化，可以捕捉原本會穿過薄太陽能電池的陽光。”

納米錐陣列放置在釩酸鉍薄膜上。然后將這兩層放置在由鈣鈦礦制成的太陽能電池上，鈣鈦礦是另一種有前途的光伏材料。

當(dāng)被淹沒時，三層串聯(lián)裝置立即開始以 6.2% 的太陽能-氫轉(zhuǎn)換效率分解水——釩酸鉍電池的理論最大速率。

串聯(lián)太陽能電池持續(xù)產(chǎn)生氫氣超過 10 小時。崔說，該設(shè)備“未來有顯著改進的空間”。