納米新技術(shù)讓光制氫效率提高兩倍

利用光催化劑在光解水池中將水直接裂解為氫氣和氧氣，被認(rèn)為是獲取氫能的重要方法之一。美國(guó)斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院崔屹課題組設(shè)計(jì)出一種鈣鈦礦太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的光解水復(fù)合體系，可使光解水制氫的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.2%，是利用普通方法轉(zhuǎn)化效率的三倍。相關(guān)研究成果發(fā)表在近日出版的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

該研究主要負(fù)責(zé)人丘勇才、陳維博士接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示，光解水可視為一種人工光合作用，即利用光催化劑在光解水池中將水直接裂解為氫氣和氧氣。然而，光解水制氫長(zhǎng)期面臨轉(zhuǎn)化效率低、光催化劑穩(wěn)定性差等難題，利用普通的光解水化學(xué)池來分解水的效率僅約2%。

為提升光到氫燃料的轉(zhuǎn)化效率，該課題組設(shè)計(jì)出一種全新的光催化劑納米結(jié)構(gòu)的電極，將光解水性能優(yōu)越的鉬摻雜的礬酸鉍薄膜沉積于導(dǎo)電的納米錐陣列上，從而使得基于納米錐陣列的光解水電極具有較大的性能提升。

陳維介紹說，對(duì)比于傳統(tǒng)的光解水電極的平面結(jié)構(gòu)，納米錐陣列結(jié)構(gòu)的電極具有更好的光利用、電荷收集和限光特性。不僅如此，基于納米錐陣列的光解水池在一天中的不同時(shí)間段都會(huì)有很好的光利用效果。

此外，為了使該性能大幅提升的光解水池能夠在不需要外加電源的條件下獨(dú)立工作，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種利用太陽(yáng)能電池來直接驅(qū)動(dòng)光解水池的復(fù)合體系。該復(fù)合體系的太陽(yáng)能電池是由目前已知的性能最為優(yōu)越的鈣鈦礦材料組成。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在吸收太陽(yáng)光后輸出的電可直接用來驅(qū)動(dòng)光解水池分解水，從而使得光至氫的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到6.2%。

未來，利用該鈣鈦礦太陽(yáng)能電池光解水池的復(fù)合體系，光到氫的能源轉(zhuǎn)換效率有望提升到新高度，從而為獲取綠色氫能源提供一個(gè)重要途徑。

據(jù)介紹，論文的通訊作者為清華大學(xué)和中科院蘇州納米所雙聘教授、國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專家張躍鋼研究員和斯坦福大學(xué)崔屹教授，該研究還得到清華大學(xué)范守善院士的支持。