制造清洁氢气很困难，但研究人员刚刚解决了一个主要障碍

几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找利用太阳能产生产生氢气作为清洁能源的关键反应的方法——将水分子分解成氢气和氧气。然而，这些努力大多以失败告终，因为做得好成本太高，而试图以低成本做会导致性能不佳。

现在，德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员找到了一种解决一半方程式的低成本方法，即利用阳光有效地从水中分离出氧分子。这一发现最近发表在《自然通讯》上，代表着朝着更多地采用氢作为我们能源基础设施的关键部分迈出了一步。

早在 1970 年代，研究人员就在研究利用太阳能产生氢气的可能性。但是，由于无法找到能够有效执行关键化学反应的设备所需的综合性能材料，这使其无法成为主流方法。

科克雷尔学院电气与计算机工程系教授 Edward Yu 说：“你需要既能吸收阳光又能在水分解反应发生时不会降解的材料。”“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，而稳定的材料往往难以吸收阳光。这些相互矛盾的要求驱使你走向看似不可避免的权衡，但是通过将多种材料——一种能有效吸收阳光的材料，如硅，另一种能提供良好稳定性的材料，如二氧化硅——组合到一个设备中，可以解决这种冲突。”

然而，这带来了另一个挑战——硅中吸收阳光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纳米，这降低了其保护硅吸收体免于降解的有效性。

这一突破的关键来自于一种通过厚二氧化硅层创建导电路径的方法，该方法可以低成本执行并扩大到大批量生产。为了实现这一目标，Yu 和他的团队使用了一种最初用于制造半导体电子芯片的技术。通过用铝薄膜涂覆二氧化硅层，然后加热整个结构，形成完全桥接二氧化硅层的纳米级铝“尖峰”阵列。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取代。

当受到阳光照射时，这些设备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气，并在长时间运行下表现出出色的稳定性。由于制造这些设备所采用的技术通常用于制造半导体电子产品，因此它们应该易于规模化以进行大规模生产。

该团队已提交临时专利申请以将该技术商业化。

改进氢气的产生方式是其成为可行燃料来源的关键。今天大多数氢气生产是通过加热蒸汽和甲烷来实现的，但这严重依赖化石燃料并产生碳排放。

正在推动“绿色氢”，它使用更环保的方法来产生氢。简化水分解反应是这项工作的关键部分。

氢有可能成为具有某些独特品质的重要可再生资源。它已经在重要的工业流程中发挥了重要作用，并且开始出现在汽车行业。燃料电池在长途卡车运输中看起来很有前景，氢技术可能是能源储存的福音，能够储存条件成熟时产生的多余风能和太阳能。

展望未来，该团队将努力通过提高反应速率来提高水分解中氧气部分的效率。研究人员的下一个主要挑战是转向等式的另一半。

“我们能够首先解决反应的氧气方面，这是更具挑战性的部分，”于说，“但是你需要同时进行氢气和氧气的析出反应才能完全分裂水分子，这就是为什么我们的下一个下一步是研究应用这些想法来制造反应中氢部分的装置。”

这项研究由美国国家科学基金会通过工程理事会和材料研究科学与工程中心 (MRSEC) 计划资助。Yu 与 UT Austin 的学生 Soonil Lee 和 Alex De Palma 以及中国复旦大学的教授 Li Ji 一起参与了这个项目。