美國(guó)萊斯大學(xué)的工程師們將下一代鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體與電催化劑集成在一個(gè)單一、耐用、經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展的設(shè)備中，創(chuàng)造出一種能將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為氫氣的裝置，其效率達(dá)到了破紀(jì)錄的水平。

據(jù)悉，這種裝置本質(zhì)上是一種光電化學(xué)電池，其采用了新一代鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體和電催化劑，可以利用太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)各種化學(xué)反應(yīng)，將原料轉(zhuǎn)化為燃料。該技術(shù)是清潔能源向前邁出的重要一步，可以作為一個(gè)廣泛的化學(xué)反應(yīng)平臺(tái)，利用太陽(yáng)能收集的電力將原料轉(zhuǎn)化為燃料。

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，該裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于一個(gè)“防腐層”，可以有效地將半導(dǎo)體與水隔離，同時(shí)不影響電子的傳遞。據(jù)稱，該裝置擁有驚人的20.8%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)氫能效率，最新研究成果已于近期發(fā)表在了《自然通訊》雜志上。

“利用陽(yáng)光作為能源來(lái)制造化學(xué)品是清潔能源經(jīng)濟(jì)的最大障礙之一，”化學(xué)和生物分子工程博士生、該研究的主要作者之一Austin Fehr說(shuō)：“我們的目標(biāo)是建立經(jīng)濟(jì)上可行的平臺(tái)，可以產(chǎn)生太陽(yáng)能衍生燃料。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)吸收光并在其表面完成電化學(xué)水分解反應(yīng)的系統(tǒng)。”

據(jù)了解，這種裝置被稱為光電化學(xué)電池，因?yàn)槠湓谕粋€(gè)設(shè)備中完成了光的吸收、轉(zhuǎn)化為電力和利用電力來(lái)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。以前，使用光電化學(xué)技術(shù)來(lái)生產(chǎn)綠色氫氣受到了低效率和半導(dǎo)體成本高昂的限制。

Fehr說(shuō)：“所有這種類型的設(shè)備都只使用陽(yáng)光和水就能產(chǎn)生綠色氫，但我們的設(shè)備是不同的，因?yàn)樗哂衅萍o(jì)錄的效率，而且它使用了非常便宜的半導(dǎo)體。”

具體而言，研究人員將太陽(yáng)能電池改造成了一個(gè)反應(yīng)器，可以利用收集到的能量將水分解為氧氣和氫氣。但他們必須克服的挑戰(zhàn)是，鹵化物鈣鈦礦在水中極不穩(wěn)定，而且用來(lái)隔絕半導(dǎo)體的涂層會(huì)干擾或損壞它們。

“在過(guò)去的兩年里，我們反復(fù)嘗試不同的材料和技術(shù)，”萊斯大學(xué)化學(xué)工程師、該研究的合著者M(jìn)ichael Wong說(shuō)。

不過(guò)最終，研究人員終于找到了一個(gè)成功的解決方案。

他們說(shuō)，我們關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)是，需要兩層防護(hù)層，一層用來(lái)阻擋水，另一層用來(lái)在鈣鈦礦層和保護(hù)層之間形成良好的電接觸。我們的結(jié)果是光電化學(xué)電池中最高的效率，也是使用鹵化物鈣鈦礦半導(dǎo)體的最佳效果。

“這是一個(gè)突破，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域歷來(lái)被價(jià)格昂貴的半導(dǎo)體所主導(dǎo)，而且可能是這類設(shè)備第一次具備了商業(yè)可行性。”