用二氧化鈦制成新薄膜鍍層利于陽光轉(zhuǎn)化成零排放燃料

 　　 據(jù)國外媒體報道，一種用二氧化鈦制成的新薄膜鍍層，能更加有效地把陽光轉(zhuǎn)化成零排放燃料，相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《科學》雜志上。美國加州理工學院專門研究太陽能燃料的化學教授、這篇論文的作者內(nèi)森-劉易斯表示，這一發(fā)現(xiàn)促使人造光合作用的夢想距離變成現(xiàn)實更近一步。

　　太陽能電池板能把陽光轉(zhuǎn)變成可用的電能，但是可持續(xù)能源研究人員的主要目標，是把陽光轉(zhuǎn)變成氫等耐貯存的化學燃料。劉易斯表示，植物能通過光合作用把陽光轉(zhuǎn)變成化學能，但是這種自然過程的效率非常低。他說：“照射在植物上的陽光的能量，只有不到1%被儲存在植物的生物量里。因此我們正在設(shè)法打造一個比光合作用的效率高10倍的系統(tǒng)，除此以外，它還要很耐用、持續(xù)時間長，而且很劃算。”他們的目標是讓安裝在屋頂和田野里的太陽能發(fā)電機直接為汽車、建筑物和工廠生產(chǎn)出液體或者氣體燃料。然而劉易斯表示，迄今為止在人造光合作用方面“取得的成功非常有限”。

　　典型的太陽能燃料發(fā)電機不僅能還原水，生成氫燃料，而且它能氧化水，生成氧，氧又能被用來燃燒燃料，生成更多水。劉易斯稱，名叫光電陽極的一種半導體是生產(chǎn)氧所必須的，但是在生產(chǎn)一臺太陽能燃料發(fā)電機時，這往往會變成一個弱點。“把水氧化成氧一直是個令人頭痛的大問題，因為幾乎所有普通半導體材料都生銹，因此它們不但沒有成功氧化水，而是氧化了它們自己。”他表示，曾有各種嘗試試圖給光電陽極做鍍層，用來防止它生銹，但是到目前為止，這些努力不是未能成功阻止半導體生銹，就是完全阻止了電流穿過光電陽極。“我們已經(jīng)找到一種可以避免這些問題的方法，至少在實驗室的時間尺度上已經(jīng)取得了成功。”

　　該研究由美國能源部資助，劉易斯及其同事已經(jīng)使用無定形二氧化鈦打造出一種特殊的薄膜鍍層，以確保光電陽極能有選擇地氧化水。這種二氧化鈦鍍層是白油漆或者遮光劑采用的一種化學物質(zhì)的導電版本。劉易斯說：“借助名叫原子層沉積的方法，把它一層一層地鋪在光電陽極的上面。”這種鍍層允許電流穿過光電陽極，同時還能防止它受腐蝕。以前嘗試給光電陽極做鍍層的努力，產(chǎn)生氫和氧的時間只能持續(xù)幾秒鐘。與之相比，他及其同事已經(jīng)操作他們的人造光合作用系統(tǒng)長達100小時，連續(xù)不斷地模仿陽光，而且這段時間的氧和氫產(chǎn)量僅減少10%。劉易斯稱，他們還需要通過進一步研究，確定該系統(tǒng)如何才能失靈等問題。不過他表示，這種鍍層不僅有望在硅上起作用，而且有望在其他普通半導體上起作用，其中包括砷化鎵和磷化鎵。“最好的結(jié)果是它對材料沒要求。”他稱，這意味著以前在研制過程中因為不穩(wěn)定而被棄的很多材料，現(xiàn)在都可以重新考慮用來制造太陽能燃料發(fā)電機。