一種利用太陽(yáng)光從水中產(chǎn)生氫燃料的人工光合作用技術(shù)

在現(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展中，能源的需求量巨大，而現(xiàn)有的石油等能源有限，需要科學(xué)家們不斷開(kāi)發(fā)新能源，為了尋求豐富，可再生的化石燃料替代品，科學(xué)家們一直試圖通過(guò)“水分裂”來(lái)收獲太陽(yáng)的能量，這是一種利用太陽(yáng)光從水中產(chǎn)生氫燃料的人工光合作用技術(shù)。但是水分解裝置還沒(méi)有發(fā)揮其潛力，因?yàn)槿匀粵](méi)有可有效工作所需的光學(xué)，電子和化學(xué)性質(zhì)的材料。

美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)和美國(guó)能源部能源創(chuàng)新中心人工光合作用聯(lián)合中心(JCAP)的研究人員已經(jīng)提出了一種新的可再生制氫方法，可以繞過(guò)當(dāng)前材料的限制。他們開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為“混合光電化學(xué)和電流(HPEV)電池”的人工光合作用裝置，它將陽(yáng)光和水轉(zhuǎn)化為兩種能源-氫燃料和電能。描述這項(xiàng)工作的論文于10月29日在Nature Materials上發(fā)表。

Segev和他的合著者-伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部JCAP研究員Jeffrey W. Beeman，前伯克利實(shí)驗(yàn)室和JCAP研究員、德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)半導(dǎo)體物理學(xué)教授Jeffery Greenblatt，提出了一個(gè)解決復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案。

在水分解裝置中，前表面通常專(zhuān)用于太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)，后表面用作電源插座。為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限性，他們?cè)诠柙谋趁嬖黾恿艘粋€(gè)額外的電接觸，從而使HPEV器件在背面有兩個(gè)觸點(diǎn)而不是一個(gè)。額外的后部出口將允許電流分成兩部分，使得一部分電流有助于太陽(yáng)能燃料的產(chǎn)生，其余部分可以作為電力提取。

在運(yùn)行模擬以預(yù)測(cè)HPEC是否將按設(shè)計(jì)運(yùn)行后，他們制作了一個(gè)原型來(lái)測(cè)試他們的理論。根據(jù)他們的計(jì)算，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能氫發(fā)生器基于硅和釩酸鉍的組合，這是一種廣泛研究用于太陽(yáng)能水分解的材料，它將產(chǎn)生氫氣，太陽(yáng)能氫能效率為6.8%。換句話說(shuō)，在撞擊電池表面的所有入射太陽(yáng)能中，6.8%將以氫燃料的形式存儲(chǔ)，其余的全部丟失。

相反，HPEV電池收獲剩余電子，這些電子不會(huì)產(chǎn)生燃料。這些殘余電子用于產(chǎn)生電能，從而大大提高了整體太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。例如，根據(jù)相同的計(jì)算，相同的6.8%的太陽(yáng)能可以作為氫燃料儲(chǔ)存在由釩酸鉍和硅制成的HPEV電池中，另外13.4%的太陽(yáng)能可以轉(zhuǎn)換為電能。這使得組合效率達(dá)到20.2%，是傳統(tǒng)太陽(yáng)能氫電池的三倍。相信睡著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源問(wèn)題會(huì)被人類(lèi)解決，為社會(huì)的進(jìn)步，人類(lèi)的永續(xù)發(fā)展造福。