德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心(HZB)和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(TU Delft)的研究人員聯(lián)合組成的科研小組，成功研發(fā)出一種價格低廉的利用太陽能進(jìn)行電解水制氫的方法，相關(guān)成果發(fā)表在近日出版的《自然·通訊》雜志上。
科學(xué)家們開發(fā)的這套系統(tǒng)可以通過太陽光將水分解成氫氣和氧氣，這使得太陽能可以被轉(zhuǎn)換成氫能并存儲起來。亥姆霍茲柏林材料與能源中心太陽能燃料研究所主任羅爾·范·德克羅爾教授說：“我們結(jié)合了兩方面的最佳之處。我們利用了化學(xué)的穩(wěn)定性和金屬氧化物的低廉價格，將其與一個很好但相當(dāng)簡單的薄膜硅太陽能電池結(jié)合，從而得到一個便宜、非常穩(wěn)定和高效的(水解氫氣的)單元。”
當(dāng)光線射入這個相對簡單的具有金屬氧化物層的硅薄膜電池時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一個電壓。金屬氧化物層起光陽極的作用，成為氧形成的地方。它通過一個石墨導(dǎo)電橋連接到太陽能電池單元。由于只有金屬氧化物層接觸到電解液，所以太陽能電池單元的其他部分不會受到腐蝕。鉑金線圈則被用作陰極，這是氫氣形成的地方。粗略計算可以表明這種技術(shù)具有的潛力：以德國每平方米大約600瓦的太陽光能來算，100平方米這樣系統(tǒng)可以在一個小時的日照下分離生成3千瓦時以氫氣形式存儲的能量。
科學(xué)家們系統(tǒng)研究了不同的金屬氧化物在從光入射到電荷分離，直至水分解的過程中的作用，以便進(jìn)一步優(yōu)化這一過程。德克羅爾說，理論上釩酸鉍光陽極效率最高可達(dá)9%。通過用一種廉價的磷酸鈷催化劑，科學(xué)家們顯著地加快了光陽極上氧的生成。研究中最大的挑戰(zhàn)是釩酸鉍層電荷高效的分離。盡管金屬氧化物穩(wěn)定并且便宜，但帶電粒子會趨于迅速重組，使得分解水的過程失效。德克洛爾和他的同事通過研究發(fā)現(xiàn)，在釩酸鉍層里加入額外的鎢原子是有幫助的。這些鎢原子產(chǎn)生的內(nèi)部電場可以很好地防止重組的發(fā)生。
系統(tǒng)中最重要的光陽極是用添加了鎢原子的金屬氧化物釩酸鉍(BiVO4)制成，并用廉價的鈷磷酸鹽催化劑噴涂和包覆。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家將含鉍、釩、鎢的溶液噴射到熱玻璃基板上，然后將溶劑蒸發(fā)。通過多次噴涂不同濃度的溶液，得到了一個厚度約300納米的高效光活性金屬氧化物層。德克羅爾說：“我們?nèi)匀徊皇呛芰私鉃槭裁粹C酸鉍工作得非常好。但我們發(fā)現(xiàn)，超過80%的被吸收的光子得到了利用，這實在是一個創(chuàng)紀(jì)錄的金屬氧化物，也是物理學(xué)的奇跡。下一個挑戰(zhàn)是按比例將這樣的系統(tǒng)擴(kuò)展到平方米大小，從而使它們可以生成更多的氫氣。”
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