人造“光合作用”新装置，助力制氢技术突破桎梏

《全球涂料网讯》

麦吉尔大学最近研制了一种新型、稳定的人造光合作用装置，通过该装置可以使阳光分解水产生氢气的效率提高一倍，产生的氢气随后可以被用于燃料电池。

    该设备也可以重新配置，进而将二氧化碳转化为燃料。

    氢气是最清洁的燃料，其唯一的排放物是水。但是目前生产氢气的环节并非同样的环保。常规生产氢气的方法需要消耗大量的天然气或电力。而这种被称为直接太阳能推进水分离的新设备仅使用水和阳光。
 
    “如果我们可以直接将太阳能储存为化学燃料，就像植物的光合作用一样，那我们就可以解决大规模利用可再生能源的最核心问题——清洁能源的有效转化。”在蒙特利尔麦吉尔大学领导这项研究的密歇根大学电气和计算机工程教授ZetianMi说。
 
    麦吉尔大学的电子和计算机工程学博士FaqrulAlam Chowdhury说道，太阳能电池的问题在于，没有电池就不能存储能量，而电池的总体成本很高，而且寿命有限。
 
    他们研制的设备器件由广泛使用在太阳能电池中的材料制成，包括硅和氮化镓（常见于LED中）。该设备采用工业级设计，只需阳光和海水，这将为大规模生产清洁氢燃料铺平道路。
 
    以前的直接太阳能推进水分离的设备在淡水或盐水中实现了超过1％的稳定太阳能生产氢气的效率。而其他直接太阳能推进水分离的方法大多因为设备使用成本高，效率低或材料不稳定而无法正常使用，这些分离方法中也包括通过添加高酸性溶液以达到更高的效率。
 
    然而，Mi和他的研发团队实现了超过3％的太阳能直接生产氢气的效率。为了达到这种稳定的效率，该团队建造了一座可以产生电场的纳米级氮化镓“景观”。氮化镓可以将一个或多个光子转化为可移动的电子和空穴，这些转化的电子-空穴对将水分子分解成氢和氧。
 
    “当这个特殊设计的氮化镓“景观”晶圆被光子轰击时，电场有助于分离光生电子和空穴，从而有效驱动氢和氧分子的生成。”Chowdhury说。

    目前，芯片的硅背衬并没有对其功能做出贡献，但它本可以做得更多。下一步计划是利用硅来帮助捕获光线并将电荷载流子引入塔状氮化镓中。

    “虽然3％的效率可能看起来很低，但在对这一过程进行了40年研究的背景下，它实际上是一个重大突破。”Mi说。“根据现有的计算方法，自然光合作用的效率约为0.6％。”
 
    他补充说到，5％的转化效率是商业化的门槛，但他的团队的目标是达到20％或30％的转化效率。

    Mi同时还进行了类似的研究，以去除其氧气中的二氧化碳，并将生成的碳转化为碳氢化合物，如甲醇和合成气。这个研究路径可能会让人造装置像植物一样从大气中去除二氧化碳。
 
    “这是研究中真正令人兴奋的部分，”Mi说。

    这项研究结果发表在“Nature Communications”杂志上，篇名为“A photochemical  diode artificial photosynthesis system for unassisted high efficiency overall pure water splitting”。与ZetianMi和Chowdhury一起的合作者还包括魁北克交通电气化与能源储备中心的Michel Trudeau和麦吉尔大学的洪国（音）。

 
    这项工作也得到了美国能源部燃料电池技术办公室和加拿大艾伯塔减排部的支持。