研究人员利用阳光有效从水中分离氧分子 使氢气生产更简单

几十年来，为生产出清洁能源氢气，全球的研究人员一直在寻找利用太阳能发生关键反应的方法，即将水分子分解为氢和氧，然而大多以失败告终，因为成功的方法往往成本太高，降低成本后又性能不佳。据外媒报道，德克萨斯大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin）的研究人员找到了一种低成本方法，即利用阳光有效地从水中分离氧分子。该方法可解决此化学反应方程式的一半，且相关研究已发表于期刊《Nature Communications》。

（图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校）

早在20世纪70年代，研究人员就在研究利用太阳能产生氢气的可能性。但是，由于无法找到具有能够有效执行关键化学反应的设备，以及其所需的综合材料，该方法始终无法成为主流方法。

科克雷尔学院电气与计算机工程系（Cockrell School's Department of Electrical and Computer Engineering）教授Edward Yu表示：“试验成功需要能够很好地吸收阳光，同时在发生水分解反应时不会降解的材料。事实证明，在水分解反应所需的条件下，善于吸收阳光的材料往往不稳定，而稳定的材料往往对阳光的吸收能力又较差。这些要求相互矛盾，因此研究人员必须做出权衡。但通过将多种材料，即硅等有效吸收阳光的材料和二氧化硅等提供良好稳定性的材料结合到一个设备中，就可以很好地解决上述问题。”

然而，这也带来了另一个挑战，即在硅中吸收阳光所产生的电子和空穴必须能够轻松地穿过二氧化硅层。这通常要求二氧化硅层的厚度仅为几纳米，但这同时又会降低其保护硅吸收剂免于降解的有效性。

取得突破的关键在于采用一种通过厚二氧化硅层创建导电路径的方法，从而可以降低成本，并实现大批量生产。为了实现这一目标，Yu及其团队首先使用了一种用于制造半导体电子芯片的技术。通过用铝薄膜涂覆二氧化硅层，然后加热整个结构，形成完全桥接二氧化硅层的纳米级铝“尖峰”阵列。之后，这些材料还可以轻易被镍或其他有助于催化水分解反应的材料所替代。

当受到阳光照射时，这些器件可以有效地氧化水从而形成氧分子，同时还会在单独的电极上产生氢气，并在长时间运行情况下表现出出色的稳定性。由于制造这些设备所采用的技术是通常用于半导体电子产品制造的技术，因此会易于扩展以进行大规模生产。

目前，该团队已提交临时专利申请，以将该技术商业化。改善氢气的生成方式是使其成为可行燃料来源的关键。当前大多数氢气生产是通过加热蒸汽和甲烷发生的，但这在很大程度上依赖于化石燃料并会产生碳排放。

（图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校）

随着不断推动“绿色氢”的发展，即使用更环保的方法生成氢气，简化水解反应非常关键。氢气品质独特，有潜力成为重要的可再生资源。目前，氢气已在重要工业过程中发挥了关键作用，并已开始应用于汽车行业。对于长途卡车运输而言，燃料电池非常具有前景，而氢气技术可能更利于储能，能够在条件成熟时储存多余的风能和太阳能。

展望未来，该团队将努力通过提高反应速率来提高水分解中氧气部分的效率。目前，研究人员的下一个主要挑战将转移到反应方程式的另一半。Yu称：“我们将首先解决反应的氧侧问题，这一部分更具挑战。但是你需要同时进行析氢和析氧反应以完全分裂水分子，因此我们下一步将应用这些想法来制造反应氢部分的装置。”

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