太阳能电池 模仿光合作用-- 制氢

     两个独立的团队从大自然中汲取灵感，开发出更好的太阳能电池制氢方法。 来自美国密歇根大学的第一个团队使用含有氮化铟镓 (InGaN) 催化剂的太阳能电池板实现了创纪录的超过 9% 的太阳能制氢效率。 来自瑞士洛桑联邦理工学院和欧洲丰田汽车公司的第二个团队创造了一种新型透明多孔气体扩散电极，它可以从空气中收集水，并在暴露在阳光下时将其转化为氢气。 原则上，这两种技术都可以以“绿色”方式为燃料电池和工业过程供应氢气，而不需要化石燃料前体。
     在光催化太阳能水分解中，科学家利用来自太阳光的能量将水分解成其组成元素：氧和氢。 这个过程模拟了自然光合作用中的关键步骤，可能是一种清洁和可再生的能源生产方式。 问题在于，太阳能制氢 (STH) 过程的效率非常低，与基于化石燃料的各种工业过程所需的大量氢气生成方法相比，它不经济。

效率 达到 9.2% 
     在密歇根州，Zetian Mi 及其同事使用太阳光谱的紫外到可见光部分光激发半导体 InGaN，使其产生电子和“空穴”（带正电荷的区域），可以将水分解为氢和氧。 然后，研究人员利用太阳光的红外线部分将反应系统加热到 70 °C 左右。 这种加热有助于防止氢气和氧气重新结合形成水，这是水分解中的主要“逆反应”，也是 STH 效率的主要限制因素。
     该策略的结果是，自来水和海水的 STH 效率约为 7%，而位于室外的大型原型光催化水分解系统的 STH 效率为 6.2%。 在室内，该系统的效率达到了 9.2%——比之前同类型的太阳能水分解实验高 10 倍。
     该团队在《自然》杂志上描述的该设备在高温和相当于 160 个太阳的光强下也很稳定。 “原则上，这项技术可以为燃料电池站和任何需要氢气的工业过程提供氢气，”米告诉物理世界。 “与传统的集中式蒸汽甲烷重整工艺相比，这种方法的一个独特优势是氢气的分布式发电，从而显着降低了与氢气运输相关的成本。”

像一片人造树叶
     同时，由 EPFL 团队的 Marina Caretti 及其同事制造的气体扩散电极是基于石英（二氧化硅）纤维加工成毡片，然后在 1350 °C 的温度下熔合在一起。 该团队在 600 °C 的常压化学气相沉积工艺中用三氯化单丁基锡和三氟乙酸在 10 分钟的大气化学气相沉积过程中，用一种光活性材料、氟掺杂氧化锡的透明薄膜涂覆了所得透明多孔基板。
     由此产生的结构具有 90% 的孔隙率，使其与空气中的水蒸气接触量最大，并具有 20 ± 3 Ω sq−1 的良好电导率。 它也是透明的，允许光线穿过涂层半导体。
     当暴露在阳光下时，这个装置就像一片人造树叶，从空气中收集水分并利用阳光产生能量（在这种情况下以氢气的形式）。 来自太阳辐射的能量储存在氢键中，类似于植物叶子在光合作用过程中产生的糖和淀粉的化学键中储存能量的方式。

技术可以从空气中收集湿度
     EPFL 研究人员详细介绍了他们在 Advanced Materials 方面的工作，他们承认他们的光电化学 (PEC) 设备的太阳能到氢气的转换效率非常低。 然而，将这种效率最大化并不是他们研究的目标，团队成员凯文·西弗拉指出，其最大理论效率约为 12%。 他说，这表明“有改进的希望”。

     “该系统概念还将消除对传统上用于 PEC 设备的高酸性电解质的需求，”他告诉 Physics World。