研究人员找到低成本的水解氢催化材料 利用阳光水解制氢

几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找方法，利用太阳能来产生作为清洁能源的氢气生产的关键反应--将水分子分裂成氢气和氧气。然而，这些努力大多都失败了，因为做好它的成本太高，而试图以低价做它又导致性能不佳。

现在，来自德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员已经找到了一种低成本的方法来解决这个方程式的一半，利用阳光来有效地从水中分裂出氧分子。最近发表在《自然通讯》上的这一发现，代表着向更多地采用氢气作为我们能源基础设施的一个关键部分迈进了一步。

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。但由于无法找到具有能够有效进行关键化学反应的设备所需的综合特性的材料，使其无法成为一种主流方法。

科克雷尔学院电气和计算机工程系的教授爱德华-于说："你需要善于吸收阳光的材料，同时在发生分水反应时不会降解。事实证明，善于吸收阳光的材料在分水反应所需的条件下往往是不稳定的，而稳定的材料往往对阳光的吸收能力差。这些相互冲突的要求促使你做出看似不可避免的权衡，但通过将多种材料--一种能有效吸收阳光的材料，如硅，和另一种能提供良好稳定性的材料，如二氧化硅--结合到一个装置中，这种冲突可以得到解决。"

然而，这又产生了另一个挑战--在硅中吸收阳光所产生的电子和空穴必须能够轻易地穿过二氧化硅层。这通常要求二氧化硅层不超过几纳米，这降低了其保护硅吸收器不被降解的有效性。

这一突破的关键是通过一种在厚厚的二氧化硅层中创造导电路径的方法，这种方法可以在低成本下进行，并可扩展到大批量的生产。为了达到这个目的，Yu和他的团队使用了一种首先部署在半导体电子芯片制造中的技术。通过在二氧化硅层上涂上一层铝薄膜，然后加热整个结构，形成了完全弥合二氧化硅层的纳米级铝"尖峰"阵列。然后这些可以很容易地被镍或其他有助于催化分水反应的材料所取代。

当被阳光照射时，这些装置可以有效地氧化水形成氧分子，同时也在一个单独的电极上产生氢气，并在长时间的操作下表现出出色的稳定性。由于制造这些装置所采用的技术通常用于制造半导体电子产品，因此它们应该很容易扩展到大规模生产。

上图显示了光阳极装置的基本几何形状和功能

该团队已经提交了一份临时专利申请，以使该技术商业化。

改进氢气的产生方式是其成为一种可行的燃料来源的关键。今天，大多数氢气生产是通过加热蒸汽和甲烷进行的，但这严重依赖化石燃料并产生碳排放。

有一种对"绿色氢气"的推动，它使用更环保的方法来产生氢气。而简化水分离反应是这一努力的一个关键部分。

氢气有可能成为一种重要的可再生资源，具有一些独特的品质。它已经在重要的工业过程中发挥了重要作用，并开始在汽车工业中显现出来。燃料电池在长途卡车运输中看起来很有前途，而氢气技术可能是能源储存的一个福音，它能够在条件成熟时储存多余的风能和太阳能。

展望未来，该团队将致力于通过提高反应速度来改善水分离的氧气部分的效率。然后，研究人员的下一个主要挑战是转到方程式的另一半。

Yu说:"我们能够首先解决反应的氧气部分，这是更具挑战性的部分，但是你需要同时进行氢气和氧气的进化反应来完全分裂水分子，所以这就是为什么我们的下一步是研究应用这些想法来制造反应的氢气部分的装置。"