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        太陽能提供廉價和可持續(xù)的氫能

        2023-04-05 18:54:22編譯自每日科學(xué)
        上海節(jié)能 2023年2期
        關(guān)鍵詞:電池板氫氣半導(dǎo)體

        美國密歇根大學(xué)通過自然光合現(xiàn)象模擬研發(fā)出一種新型的太陽能電池板,該電池板在將水轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)和氧氣(O2)方面取得了9%的效率,比目前同類型的分離效率高近10倍,是技術(shù)的重大飛躍。

        該技術(shù)通過減少設(shè)備中最昂貴的部分——半導(dǎo)體器件,大大降低了可持續(xù)氫能的成本,且該團隊研發(fā)的自愈半導(dǎo)體能承受相當(dāng)于160個太陽光的集中光。

        目前人類是利用化石燃料中的甲烷(CH4)來生產(chǎn)氫氣的,過程中消耗了大量的能源,而植物卻可利用陽光從水中獲取氫原子。當(dāng)人類試圖減少碳排放時,氫氣作為一種獨立的燃料和來自二氧化碳(CO2)制成的可持續(xù)的燃料非常有吸引力。此外,許多化學(xué)過程如生產(chǎn)化肥等都需要氫氣。

        密歇根大學(xué)的人工光合作用比自然光合作用效率更高,也為實現(xiàn)碳中和提供了途徑。

        該研究突出的結(jié)果來自兩個進步:第一是集中陽光又不破壞半導(dǎo)體的能力,與一些僅在低光強度下工作的半導(dǎo)體相比,該研究將半導(dǎo)體尺寸縮小了很多;第二是利用太陽光譜中能量較高部分來分解水,較低部分來促進反應(yīng)。這個奇跡是由一種半導(dǎo)體催化劑實現(xiàn)的,該催化劑除可改善自身外,還可抵抗在利用陽光驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)中通常經(jīng)歷的降解。

        除處理高強度的光外,該半導(dǎo)體還可在高溫下工作。高溫加速了水的分解,額外的熱量也促使氫和氧的分離,而不是重新形成新鍵和水,這兩者都幫助收獲更多的氫氣。

        團隊設(shè)置了一個與房屋窗戶大小的室外透鏡,將陽光聚焦到只有幾英寸寬的實驗板上,實驗板上的半導(dǎo)體催化劑被一層水膜覆蓋,并隨著分離冒出氫氣和氧氣。

        該催化劑由生長在硅表面的氮化銦鎵納米制成,半導(dǎo)體晶片將捕獲的光轉(zhuǎn)化為自由電子和空穴(當(dāng)電子被光釋放時留下的帶正電的空隙)。納米結(jié)構(gòu)中布滿了直徑為1/2 000 mm的納米級金屬球,金屬球利用這些電子和空穴來幫助反應(yīng)。

        實驗板頂部一個簡單的絕緣層將溫度保持在75℃左右,足夠溫暖以促進反應(yīng),同時也足夠涼爽以使催化劑發(fā)揮良好作用。該實驗的戶外版本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到了6.1%,室內(nèi)可達9%。

        該團隊要應(yīng)對的下一個挑戰(zhàn)是進一步提高效率并獲得可直接送入燃料電池的超高純度的氫。

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