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新工艺突破“裂水制氢”关键障碍 成本低廉有望大规模生产
在阳光照射下,新装置可以有效地氧化水形成氧分子,同时在单独的电极上产生氢,并在长时间运行下表现出出色的稳定性。

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,几十年来,世界各地的研究人员一直在寻找利用太阳能来生产清洁能源氢的方法,即分解水分子形成氢和氧的方法。然而,这些努力大多以失败告终,因为做好它的成本太高,而试图以低成本完成的往往又效果不佳。

现在,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的研究人员发现了一种低成本的方法,可以完成上述反应的一半。其研究成果被发表在了《自然通讯》(Nature Communications)杂志上,代表着人类朝着将氢作为能源基础设施的关键应用部分迈进了一步。

早在20世纪70年代,研究人员就在研究利用太阳能生产氢气的可能性。但是,由于无法找到能够有效进行关键化学反应的设备所需的材料,使得该方法未能成为主流方法。

“你需要一种能吸收阳光的材料,同时在水分解反应发生时不会降解,”研究人员表示,“事实证明,在水分解反应所需的条件下,善于吸收阳光的材料往往不稳定,而稳定的材料往往不善于吸收阳光。”

“这些相互冲突的需求驱使你走向一个看似不可避免的权衡,但通过将多种材料结合到一个设备中——一种能有效吸收阳光,如硅,另一种提供良好的稳定性,如二氧化硅,这种冲突可以解决。”他们补充道。

然而,这又带来了另一个挑战,即在硅中吸收阳光所产生的电子和空穴必须能够轻松地穿过二氧化硅层。这通常要求二氧化硅层不超过几个纳米,这降低了它保护硅吸收剂不被降解的有效性。

要突破这一障碍的关键是利用一种通过厚厚的二氧化硅层创造导电路径的方法,这种方法可以以低成本实现,并大规模生产。

为了实现这一目标,该团队使用了一种最初应用于半导体电子芯片制造的技术。通过在二氧化硅层上涂上一层铝薄膜,然后对整个结构进行加热,就会形成纳米级的铝“尖峰”阵列,完全连接二氧化硅层。这些可以很容易地被镍或其他有助于催化水分解反应的材料所取代。

在阳光照射下,该装置可以有效地氧化水形成氧分子,同时在单独的电极上产生氢,并在长时间运行下表现出出色的稳定性。因为制造这些器件所采用的技术通常用于半导体电子的制造,它们应该很容易大规模生产。

该团队已经提交了一份将该技术商业化的临时专利申请。改善氢的生成方式是使其成为一种可行燃料来源的关键。目前大多数氢气生产是通过加热蒸汽和甲烷来实现的,但这在很大程度上依赖于化石燃料,并产生碳排放。

“绿色氢”是一种使用更环保的方法来生产氢的方法。而简化水分裂反应是这项努力的关键部分。氢有潜力成为一种具有独特特性的重要可再生资源。它已经在重要的工业流程中发挥了重要作用,并且开始在汽车行业中出现。此外,氢技术可能还会成为能源储存的福音,当条件成熟时,氢技术可以储存多余的风能和太阳能。

今后,研究小组将通过提高反应速度,提高水分解过程中氧气部分的效率。研究人员的下一个主要挑战是转移到反应方程式的另一半。

“我们能够首先解决反应中的氧气侧,这是更具挑战性的部分,”研究人员说,“但你需要同时进行析氢和析氧反应,才能完全分解水分子,所以这就是为什么我们下一步要研究应用这些想法来制造反应中氢部分的装置。”

责编 | 林琦
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