新催化剂比以前的太阳能水分解装置效率高10倍

密歇根大学开发的一种新型太阳能电池板将水转化为氢气和氧气的效率达到了 9%——模仿了自然光合作用中的关键步骤。在户外，它代表了技术的重大飞跃，效率比同类太阳能水分解实验高出近 10 倍。

但最大的好处是降低了可持续氢的成本。这是通过缩小半导体(通常是设备中最昂贵的部分)来实现的。该团队的自愈半导体可承受相当于 160 个太阳的集中光线。

目前，人类从化石燃料甲烷中生产氢气，在此过程中使用了大量的化石能源。然而，植物利用阳光从水中获取氢原子。随着人类努力减少碳排放，氢作为独立燃料和作为由回收二氧化碳制成的可持续燃料的组成部分而具有吸引力。同样，许多化学过程都需要它，例如生产肥料。

“最终，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，”领导这项研究的密大电气与计算机工程教授米泽天说。

出色的结果来自两个进步。首先是在不破坏利用光的半导体的情况下聚集阳光的能力。

“与某些仅在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸缩小了 100 多倍，”UM 电气和计算机工程研究员、该研究的第一作者彭周说。“我们的技术生产的氢气可能非常便宜。”

第二种是利用太阳光谱的较高能量部分来分解水，并利用光谱的较低部分来提供促进反应的热量。这种魔力是由一种半导体催化剂实现的，它会随着使用而自我改进，从而抵抗这种催化剂在利用阳光驱动化学反应时通常会经历的退化。

除了处理高光强度外，它还可以在对计算机半导体不利的高温下茁壮成长。更高的温度会加速水的分解过程，额外的热量也会促使氢和氧保持分离，而不是重新形成键并再次形成水。这两者都帮助团队收获了更多的氢气。

对于室外实验，Zhou 设置了一个与房屋窗户大小相当的透镜，将阳光聚焦到只有几英寸宽的实验面板上。在该面板内，半导体催化剂被一层水覆盖，并随着它分离的氢气和氧气冒泡。

该催化剂由生长在硅表面上的氮化铟镓纳米结构制成。半导体晶片捕获光，将其转化为自由电子和空穴——当电子被光释放时留下带正电的空隙。纳米结构中布满了直径为 1/2000 毫米的纳米级金属球，它们利用这些电子和空穴来帮助引导反应。

面板顶部的一个简单的绝缘层将温度保持在 75 摄氏度或 167 华氏度的烘烤温度，足够温暖以帮助促进反应，同时也足够凉爽以使半导体催化剂发挥良好作用。该实验的户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达到了 6.1%。然而，在室内，该系统的效率达到了 9%。

该团队打算应对的下一个挑战是进一步提高效率并获得可直接送入燃料电池的超高纯度氢气。

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