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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(yáng)能(或其他可再生能源)來(lái)分解水可以帶來(lái)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?cè)谀途眯苑矫孢~出了重要的一步。
（使用半透明的二氧化鈦光陽(yáng)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(lái)自天然氣，而天然氣會(huì)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)。
名古屋理工學(xué)院電氣機(jī)械工程教授Masashi Kato說(shuō):“我們確認(rèn)了100天的耐用性，這是實(shí)驗(yàn)證實(shí)的PEC水裂解材料中最長(zhǎng)的一種?！彼f(shuō)，對(duì)于可以安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)的免維護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(shì)頭。有幾家公司和一些計(jì)劃正在利用風(fēng)能或太陽(yáng)能通過(guò)電解來(lái)分解水。
利用PEC直接太陽(yáng)能水分解是一種更優(yōu)雅、一步的方法來(lái)利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣。但事實(shí)證明，要大規(guī)模做到這一點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室。
光催化劑在PEC器件中起著重要作用。加藤和他的同事們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)串聯(lián)的PEC裝置，它使用兩個(gè)電極，每個(gè)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(duì)開(kāi)發(fā)并報(bào)道過(guò)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(jiàn)光產(chǎn)生氫氣。
當(dāng)將該裝置置于水中時(shí)，這兩種反應(yīng)共同維持一段時(shí)間，將水分解成氫和氧。加藤說(shuō)，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(shí)現(xiàn)100天的作業(yè)。
該系統(tǒng)的效率發(fā)表在《太陽(yáng)能材料和太陽(yáng)能電池》雜志上，相對(duì)較低，僅為0.74%。大多數(shù)太陽(yáng)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(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了顯著更高的效率。來(lái)自意大利和以色列的研究人員最近報(bào)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫燃料。
魯汶大學(xué)(KU Leuven)的一個(gè)比利時(shí)研究團(tuán)隊(duì)在2019年報(bào)告了一種太陽(yáng)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(guó)能源部，5- 10%的效率應(yīng)該足夠一個(gè)實(shí)用的太陽(yáng)能氫系統(tǒng)。
加藤說(shuō)，是二氧化鈦電極限制了該系統(tǒng)的效率，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在尋找其他的光催化劑來(lái)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(shuō)。
資料參考：
《Solar-to-Hydrogen Water Splitter Outlasts Next Best Tech By 14x》——Prachi Patel
