2023年1月5日Alex Smith评论
在密歇根大学在美国，一种新型太阳能电池板的效率已达到9%左右。这种面板有助于将水转化为氢和氧，这是自然光合作用的重要步骤．
Peng Zhou使用一个大透镜将阳光聚集到水分解催化剂上。在户外，该装置的效率是之前太阳能水分解装置的十倍。图片来源:布伦达·埃亨/密歇根工程、通信和营销。
与同类型的太阳能水分解实验相比，太阳能电池板的效率几乎是其十倍。
然而，最大的优势是降低了可持续氢的成本。这是通过缩小半导体来实现的，半导体通常是设备中最昂贵的部分。这种自愈半导体可以抵抗相当于160个太阳的强光。
制氢过程中需要大量的化石能源。然而，植物可以在阳光的帮助下从水中获取氢原子。
随着减少碳排放的努力，氢燃料作为一种独立燃料和由回收的二氧化碳制成的可持续燃料的组成部分具有吸引力。氢也需要一些化学过程，包括化肥生产。
最后，我们相信人工光合作用装置将比自然光合作用更有效，这将为实现碳中和提供一条途径．
米则天，研究第一作者，密歇根大学电气与计算机工程教授
这项研究已经在自然日报》。
结果的成功来自于两个方面的进展。第一个是在不破坏控制光的半导体的情况下集中太阳光的潜力。
与只能在低光强度下工作的半导体相比，半导体的尺寸缩小了100倍以上。．用我们的技术生产氢气可能非常便宜．
周鹏，研究第一作者，密歇根大学电气与计算机工程研究员
然后，第二种方法是利用太阳光谱的高能量部分来分解水，利用光谱的低能量部分来提供热量，帮助促进反应。这有助于抵抗这种催化剂在控制阳光以驱动化学反应时通常会经历的降解。
除了应对高光强度，它还有可能在计算机半导体难以忍受的高温下茁壮成长。更高的温度有助于加速水的分解过程，额外的热量也会促使氢和氧保持分离，而不是重新结合并再次形成水。因此，这两种方法都帮助该小组收获了额外的氢。
为了进行室外实验，周在房屋窗户周围放置了一个透镜，将阳光聚焦到只有几英寸宽的实验面板上。在面板内，半导体催化剂被一层水覆盖，导致它分离出的氧气和氢气起泡。
这种催化剂是由氮化铟镓纳米结构制成的，它生长在硅表面上。半导体晶圆有助于捕获光，将其转化为自由空穴和电子——当电子被光释放时，电子被留下了带正电的空隙。
纳米结构上点缀着纳米级的金属球，尺寸约为1/2000th直径一毫米，利用这些空穴和电子来帮助引导反应。
面板顶部的隔热层将温度保持在75°C或167°F。这被认为是高度温暖的，以帮助促进反应，同时也是高度凉爽的半导体催化剂执行良好。
该实验的室外版本，在阳光和温度不太可靠的情况下，将太阳能转化为氢燃料的效率约为6.1%。但在室内，该系统的效率约为9%。
该团队计划解决的下一个困难是进一步提高效率，并获得可以直接输入燃料电池的超高纯度氢。
与这项工作相关的知识产权很少被授权给NS纳米技术公司和NX燃料公司，这两家公司都是由小米联合创立的。密歇根大学和小米在这两家公司都有财务利益。
这项工作得到了美国国家科学基金会、国防部、密歇根转化研究和商业化创新中心、密歇根大学工程学院蓝天计划和陆军研究办公室的财政支持。
一种更有效的收集氢气的方法
视频来源:密歇根大学。
期刊引用:
周,P。等．(2022)光催化裂解水的太阳能制氢效率超过9%。自然．doi.org/10.1038/s41586 - 022 - 05399 - 1．
来源:https://news.umich.edu/