为太阳能水分解提供“串联”推动力

时间：2022-06-06 10:03:15来源：

如果我们要避免全球变暖导致的环境危机，就必须远离化石燃料。工业界和学术界都将氢作为一种可行的清洁替代品重点关注。氢气实际上是取之不尽用之不竭的，当用于产生能量时，只会产生水蒸气。然而，要实现真正环保的氢社会，我们首先需要能够清洁地大量生产氢。

一种方法是通过“人工光合作用”分解水，在这个过程中，称为“光催化剂”的材料利用太阳能从水中产生氧气和氢气。然而，可用的光催化剂还没有达到使太阳能水分解在经济上可行和可扩展的需要。为实现这一目标，应解决两个主要问题：太阳能-氢 (STH) 转换效率低和光电化学水分解电池的耐久性不足。

在日本名古屋工业大学，Masashi Kato 教授和他的同事一直在努力通过探索新材料及其组合并深入了解其性能背后的物理化学机制，将光催化剂提升到一个新的水平。在他们发表在太阳能材料和太阳能电池上的最新研究中，加藤博士和他的团队现在已经成功地通过结合二氧化钛 (TiO2) 和 p 型立方碳化硅 (3C-SiC) 这两种有前途的光催化剂材料来做到这一点，成串联结构，可制成高度耐用和高效的水分解电池。

该团队在研究中探索的串联结构具有串联的光催化剂材料，半透明的 TiO2 作为光阳极，3C-SiC 作为光阴极。由于每种材料在不同的频带吸收太阳能，串联结构可以通过允许更多的入射光激发电荷载流子并产生必要的电流来显着提高水分解电池的转换效率。

该团队测量了施加的外部电压和 pH 值对电池中产生的光电流的影响，然后在不同的光强下进行了水分解实验。他们还测量了产生的氧气和氢气的量。结果非常令人鼓舞，正如 Kato 博士所说：“测得的最大应用偏置光子电流效率为 0.74%。这个值加上观察到的约 100 天的耐用性，使我们的水分解系统跻身最佳之列。目前可用。”此外，这项研究的结果暗示了所提出的串联结构观察到的性能背后的一些潜在机制。

需要进一步研究以继续改进光电化学水分解系统，直到它们变得广泛适用。尽管如此，这项研究显然是迈向清洁未来的一步。“我们的贡献将加速人工光合作用技术的发展，该技术将直接从太阳光中产生能源。因此，我们的研究结果可能有助于实现可持续社会，”加藤博士在谈到他的愿景时说。

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