一種利用太陽光從水中產(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“水分裂”來收獲太陽的能量，這是一種利用太陽光從水中產(chǎn)生氫燃料的人工光合作用技術(shù)。但是水分解裝置還沒有發(fā)揮其潛力，因為仍然沒有可有效工作所需的光學(xué)，電子和化學(xué)性質(zhì)的材料。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和美國能源部能源創(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，可以繞過當(dāng)前材料的限制。他們開發(fā)了一種稱為“混合光電化學(xué)和電流(HPEV)電池”的人工光合作用裝置，它將陽光和水轉(zhuǎn)化為兩種能源-氫燃料和電能。描述這項工作的論文于10月29日在Nature Materials上發(fā)表。

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

在水分解裝置中，前表面通常專用于太陽能燃料生產(chǎn)，后表面用作電源插座。為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)的局限性，他們在硅元件的背面增加了一個額外的電接觸，從而使HPEV器件在背面有兩個觸點而不是一個。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能燃料的產(chǎn)生，其余部分可以作為電力提取。

在運行模擬以預(yù)測HPEC是否將按設(shè)計運行后，他們制作了一個原型來測試他們的理論。根據(jù)他們的計算，傳統(tǒng)的太陽能氫發(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能水分解的材料，它將產(chǎn)生氫氣，太陽能氫能效率為6.8%。換句話說，在撞擊電池表面的所有入射太陽能中，6.8%將以氫燃料的形式存儲，其余的全部丟失。

相反，HPEV電池收獲剩余電子，這些電子不會產(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能轉(zhuǎn)換效率。例如，根據(jù)相同的計算，相同的6.8%的太陽能可以作為氫燃料儲存在由釩酸鉍和硅制成的HPEV電池中，另外13.4%的太陽能可以轉(zhuǎn)換為電能。這使得組合效率達(dá)到20.2%，是傳統(tǒng)太陽能氫電池的三倍。相信睡著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源問題會被人類解決，為社會的進(jìn)步，人類的永續(xù)發(fā)展造福。