科學(xué)家們發(fā)明了一種新型太陽能電池板，可以幫助降低可持續(xù)使用氫氣的成本。
新的太陽能電池板在將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣方面達(dá)到了9%的效率——模仿了自然光合作用中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
密歇根大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Zetian Mi說：“最終，我們相信人工光合作用設(shè)備將比自然光合作用更有效，這將為實(shí)現(xiàn)碳中和提供一條途徑”。
據(jù)油價(jià)網(wǎng)報(bào)道，美國密歇根大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種新型太陽能電池板，將水轉(zhuǎn)化為氫氣和氧氣的效率達(dá)到9%，模仿了自然光合作用的關(guān)鍵步驟。在戶外，它代表了技術(shù)上的重大飛躍，比同類太陽能水分解實(shí)驗(yàn)效率高出近10倍。
但最大的好處是降低了可持續(xù)氫氣的成本。這是通過縮小半導(dǎo)體來實(shí)現(xiàn)的，半導(dǎo)體通常是設(shè)備中最昂貴的部分。密歇根大學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的自我修復(fù)的半導(dǎo)體可以承受相當(dāng)于160個(gè)太陽的聚光。
目前，人類主要從化石燃料甲烷中生產(chǎn)氫氣，在這個(gè)過程中使用了大量的化石能源。然而，植物利用陽光從水中獲取氫原子。隨著人類試圖減少碳排放，氫氣作為一種獨(dú)立的燃料，以及由回收的二氧化碳制成的可持續(xù)燃料的組成部分，都具有吸引力。同樣，許多化學(xué)過程也需要它，例如生產(chǎn)化肥。
密歇根大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Zetian Mi領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，研究結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。Zetian Mi說：“最終，我們相信人工光合作用設(shè)備將比自然光合作用更有效，這將為實(shí)現(xiàn)碳中和提供一條途徑。”
這一突出成果實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的進(jìn)展。
第一個(gè)是在不破壞利用光的半導(dǎo)體的情況下集中太陽光的能力。密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程研究員、該研究的第一作者Peng Zhou說：“與一些只在低光強(qiáng)度下工作的半導(dǎo)體相比，我們將半導(dǎo)體的尺寸減小為不到原來的百分之一。用我們的技術(shù)生產(chǎn)氫氣可能會(huì)非常便宜。”
第二種方法是利用太陽光譜中能量較高的部分來分解水，同時(shí)利用光譜中能量較低的部分來提供熱量來促進(jìn)反應(yīng)。這種魔力是由一種半導(dǎo)體催化劑實(shí)現(xiàn)的，這種催化劑在利用陽光驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)隨著使用而自我改善，抵抗這種催化劑通常會(huì)經(jīng)歷的退化。
除了處理高光強(qiáng)度外，它還可以在對(duì)計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體不利的高溫下茁壯成長。高溫加速了水的分解過程，額外的熱量也促使氫氣和氧氣保持分離，而不是重新結(jié)合并再次形成水。這兩種方法都幫助研究小組收獲了更多的氫氣。
在戶外實(shí)驗(yàn)中，Peng Zhou教授設(shè)置了一個(gè)房屋窗戶大小的透鏡，將陽光聚焦到只有幾英寸寬的實(shí)驗(yàn)面板上。在這個(gè)面板中，半導(dǎo)體催化劑被一層水覆蓋著，它分離出的氫氣和氧氣不斷起泡。
催化劑由氮化銦鎵納米結(jié)構(gòu)制成，生長在硅表面。半導(dǎo)體晶片捕獲光線，將其轉(zhuǎn)化為自由電子和小孔——電子被光線釋放后留下的帶正電的空隙。納米結(jié)構(gòu)中布滿了直徑為1/2000毫米的納米級(jí)金屬球，利用這些電子和小孔來幫助引導(dǎo)反應(yīng)。
面板上的一層簡單的絕緣層將溫度保持在75攝氏度（167華氏度），這個(gè)溫度足夠促進(jìn)反應(yīng)，同時(shí)也足夠涼爽以使半導(dǎo)體催化劑發(fā)揮良好作用。室外版本的實(shí)驗(yàn)，在陽光和溫度不太可靠的情況下，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫燃料的效率達(dá)到6.1%。然而，在室內(nèi)，該系統(tǒng)達(dá)到了9%的效率。
密歇根大學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)打算解決的下一個(gè)挑戰(zhàn)是進(jìn)一步提高效率，并實(shí)現(xiàn)可以直接輸入燃料電池的超高純度氫氣。
與這項(xiàng)工作相關(guān)的一些知識(shí)產(chǎn)權(quán)已被授權(quán)給NS納米技術(shù)公司和NX燃料公司，這兩家公司都是由Zetian Mi共同創(chuàng)立的。
這是很大的進(jìn)步。9%的效率可能是一個(gè)新的紀(jì)錄。剩下的問題是成本問題。無論經(jīng)濟(jì)如何發(fā)展，這加上一種超級(jí)經(jīng)濟(jì)的氮肥形成手段將對(duì)世界經(jīng)濟(jì)作出巨大貢獻(xiàn)。這將節(jié)省試圖儲(chǔ)存氫氣的成本，從而簡化了快速采用。
