人造“光合作用”新裝置，助力制氫技術(shù)突破桎梏

《全球涂料網(wǎng)訊》

麥吉爾大學(xué)最近研制了一種新型、穩(wěn)定的人造光合作用裝置，通過(guò)該裝置可以使陽(yáng)光分解水產(chǎn)生氫氣的效率提高一倍，產(chǎn)生的氫氣隨后可以被用于燃料電池。

    該設(shè)備也可以重新配置，進(jìn)而將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料。

    氫氣是最清潔的燃料，其唯一的排放物是水。但是目前生產(chǎn)氫氣的環(huán)節(jié)并非同樣的環(huán)保。常規(guī)生產(chǎn)氫氣的方法需要消耗大量的天然氣或電力。而這種被稱(chēng)為直接太陽(yáng)能推進(jìn)水分離的新設(shè)備僅使用水和陽(yáng)光。
 
    “如果我們可以直接將太陽(yáng)能儲(chǔ)存為化學(xué)燃料，就像植物的光合作用一樣，那我們就可以解決大規(guī)模利用可再生能源的最核心問(wèn)題——清潔能源的有效轉(zhuǎn)化。”在蒙特利爾麥吉爾大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授ZetianMi說(shuō)。
 
    麥吉爾大學(xué)的電子和計(jì)算機(jī)工程學(xué)博士FaqrulAlam Chowdhury說(shuō)道，太陽(yáng)能電池的問(wèn)題在于，沒(méi)有電池就不能存儲(chǔ)能量，而電池的總體成本很高，而且壽命有限。
 
    他們研制的設(shè)備器件由廣泛使用在太陽(yáng)能電池中的材料制成，包括硅和氮化鎵（常見(jiàn)于LED中）。該設(shè)備采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，只需陽(yáng)光和海水，這將為大規(guī)模生產(chǎn)清潔氫燃料鋪平道路。
 
    以前的直接太陽(yáng)能推進(jìn)水分離的設(shè)備在淡水或鹽水中實(shí)現(xiàn)了超過(guò)1％的穩(wěn)定太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣的效率。而其他直接太陽(yáng)能推進(jìn)水分離的方法大多因?yàn)樵O(shè)備使用成本高，效率低或材料不穩(wěn)定而無(wú)法正常使用，這些分離方法中也包括通過(guò)添加高酸性溶液以達(dá)到更高的效率。
 
    然而，Mi和他的研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3％的太陽(yáng)能直接生產(chǎn)氫氣的效率。為了達(dá)到這種穩(wěn)定的效率，該團(tuán)隊(duì)建造了一座可以產(chǎn)生電場(chǎng)的納米級(jí)氮化鎵“景觀”。氮化鎵可以將一個(gè)或多個(gè)光子轉(zhuǎn)化為可移動(dòng)的電子和空穴，這些轉(zhuǎn)化的電子-空穴對(duì)將水分子分解成氫和氧。
 
    “當(dāng)這個(gè)特殊設(shè)計(jì)的氮化鎵“景觀”晶圓被光子轟擊時(shí)，電場(chǎng)有助于分離光生電子和空穴，從而有效驅(qū)動(dòng)氫和氧分子的生成。”Chowdhury說(shuō)。

    目前，芯片的硅背襯并沒(méi)有對(duì)其功能做出貢獻(xiàn)，但它本可以做得更多。下一步計(jì)劃是利用硅來(lái)幫助捕獲光線并將電荷載流子引入塔狀氮化鎵中。

    “雖然3％的效率可能看起來(lái)很低，但在對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了40年研究的背景下，它實(shí)際上是一個(gè)重大突破�！盡i說(shuō)�！案鶕�(jù)現(xiàn)有的計(jì)算方法，自然光合作用的效率約為0.6％�！�
 
    他補(bǔ)充說(shuō)到，5％的轉(zhuǎn)化效率是商業(yè)化的門(mén)檻，但他的團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是達(dá)到20％或30％的轉(zhuǎn)化效率。

    Mi同時(shí)還進(jìn)行了類(lèi)似的研究，以去除其氧氣中的二氧化碳，并將生成的碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠�合物，如甲醇和合成氣。這個(gè)研究路徑可能會(huì)讓人造裝置像植物一樣從大氣中去除二氧化碳。
 
    “這是研究中真正令人興奮的部分，”Mi說(shuō)。

    這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在“Nature Communications”雜志上，篇名為“A photochemical  diode artificial photosynthesis system for unassisted high efficiency overall pure water splitting”。與ZetianMi和Chowdhury一起的合作者還包括魁北克交通電氣化與能源儲(chǔ)備中心的Michel Trudeau和麥吉爾大學(xué)的洪國(guó)（音）。

 
    這項(xiàng)工作也得到了美國(guó)能源部燃料電池技術(shù)辦公室和加拿大艾伯塔減排部的支持。