镍钼催化剂 “人造树叶”把光变成电

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这种高效的光电化学（PEC）装置利用太阳能将水分解成氢气和氧气。该装置的独立原型由两个腔室组成，由半透膜隔开，可以分别收集两种气体产品。图片来源：兰斯

太阳能和风能等可再生能源的生产和储存是清洁能源经济的主要障碍。当美国能源部于2010年在加州理工学院和其他研究机构建立人造太阳能联合（JCAP）时，美国能源部的能源创新中心（Hub）有一个主要目标，即模拟植物光合作用和以化学燃料形式储存能量的方法，并开发仅使用阳光制造燃料的廉价方法。水和二氧化碳。五年来，JCAP的研究人员在开发第一个完整、高效和安全的综合太阳能发电系统方面取得了重大进展，该系统用于分解水产生氢气。

“这一结果是JCAP在过去五年中在这个具有挑战性的项目上的一个里程碑。我们不仅做到了这一点，而且按时、按预算完成了任务。JCAP的科学主任，加州理工学院的化学教授Nate Lewis总结道。

新的太阳能燃料发电系统，也被称为“人造树叶”，发表在今年的《能源与环境科学》杂志上。这项研究是由刘易斯和哈里实验室的研究人员完成的，刘易斯和哈里是JCAP的另一位主任，也是应用物理学和材料科学教授。

“这一成就基于JCAP的知识、洞察力和能力，展示了一个和谐的团队可以通过动员整个能源创新中心的努力来达到的高度。”“我们花了很多年的时间来创造这个装置，它阐明了集成太阳能燃料发电装置所需的设计和材料元素。”

新系统由三个主要组件组成：两个电极（光阳极和光电阴极）和一个半透膜。光阳极利用阳光氧化水分子以产生质子、电子和氧气。光电阴极将质子和电子重新组合成氢。JCAP设计的一个关键部分是将氢气与氧气分离的塑料膜。如果氢气和氧气接触并被点燃，就会发生爆炸。这种塑料薄膜将氢气单独压缩和分离，并将其安全地输送到管道中。

硅和砷化物等半导体通常用于太阳能电池板，因为它们可以有效地吸收光。然而，这些材料的表面在暴露于湿气时往往会氧化和生锈，因此它们不能直接用于燃料生产。使科学家能够开发这种新的集成系统的关键进展来自刘易斯的实验室。他们发现，如果一层纳米级厚度的钛白粉（TiO2;它通常用于制造白色颜料、牙膏和防晒霜）以防止电极腐蚀，而光和电子仍然可以畅通无阻地流动。刘易斯及其同事开发的新型完整太阳能燃料发电系统使用62.5纳米厚的二氧化钛层，可有效防止腐蚀并增加砷电极的稳定性。

该设备的另一个关键进步是使用廉价的活性催化剂。光阳极需要催化剂来执行分解水的反应。铂等稀有贵金属可以用作催化剂，但该团队通过在二氧化钛表面添加2纳米厚的镍层，发现了一种更便宜、更活跃的催化剂。该催化剂是迄今为止用于分解水反应的最活跃的催化剂，也是使该装置如此高效的关键因素。

高效稳定的集成太阳能原型由一个受保护的光电化学组件组成，该组件与氢氧反应催化剂相连。图片由JCAP， Siwek提供

光阳极生长在光电阴极上，光电阴极还含有高活性且廉价的镍钼催化剂，它们共同形成一个完整的单一集成材料，其本身就是一个完整的太阳能水分解系统。

另一个在系统的效率和安全性中起关键作用的组件是特殊的塑料膜，它将两种气体与爆炸分开，并允许离子畅通无阻地流动以形成电流。设备各部件在相同条件下均能稳定工作，形成高效、完整的集成系统。图中的系统面积约为1平方厘米，能够将10%的太阳能转化为化学燃料并储存起来，并且能够连续工作40小时以上。

“这个新系统打破了所有人造树叶技术的整体安全性、性能和稳定性的记录，是原始记录的 5-10 倍以上，”刘易斯说。”

“我们的工作表明，安全有效地利用太阳能来制造具有成本效益组件的集成系统的燃料是可能的。”“当然，我们还需要研究如何延长系统的寿命，我们需要开发一种具有成本效益的方法来制造一个完整的系统。我们正在做这两件事。”

由于这项工作由JCAP的多个团队开发，因此JCAP原型和放大计划的领导者之一Xiang认为，最终结果应归功于合作。“JCAP在设备设计、仿真、材料发明和集成方面的研发最终成就了这款新设备。”他说。