“人工树叶”可将太阳能转为化学能

   模拟大自然中植物的光合作用,用阳光、水和二氧化碳制造出可按需使用的化学能源,这是2010年美国人工光合作用联合中心(JCAP)成立时的主要目标。5年来该中心的研究取得重大进展,他们首次使用高效、安全、集成的太阳能系统分离水分子并制造出氢气燃料,新研究的系统实验证明可将10%的太阳能转化为化学能。

  这种被称为“人工树叶”的新系统包含三种主要部件:两个电极——一个光电阳极、一个光电阴极,还有一层薄膜。光电阳极利用阳光来氧化水分子,产生质子、电子和氧气。光电阴极将质子和电子结合起来产生氢气。该系统的关键部分是塑料薄膜,它可以保证氧气和氢气的分离。如果两种气体混合起来并被意外点燃,可能会产生爆炸,这层薄膜可以让氢气在压力条件下单独被收集起来,并被安全送入管道。
  硅和砷化镓等半导体可以高效吸收光,因此被广泛用于太阳能电池板中。但是这些材料遇水会氧化(生锈),因此无法直接用于“人工树叶”系统。JCAP的研究人员在电极上添加了62.5纳米厚度的二氧化钛涂层,在允许光照和电子通过的同时有效地阻止了以砷化镓为材料的光电极的生锈。
  新系统的另外一个突破是使用了活跃的、成本低廉的催化剂来制造能源。光电阳极需要一种催化剂来促使分离水分子的化学反应发生。稀有而昂贵的金属如铂可以作为有效的催化剂。不过,该团队发现,将2纳米厚度的镍添加在二氧化钛薄膜表面,可以作为更有效且更低廉的催化剂。
  这一集成系统的面积约为1平方厘米,可以将10%的太阳能转化为能储存的化学能,并可持续工作40小时以上。JCAP科技总监、加州理工学院化学教授纳特·路易斯说:“这个新系统打破了人工树叶技术在安全、性能和稳定方面的综合纪录。”
  “我们的研究证实了在一个集成系统中,使用廉价组件,高效并安全地从太阳能中生产燃料是有可能的。”路易斯说,“当然,我们还需要继续下工夫延长系统寿命并设计出低成本生产这种系统的方法,这两项工作都在进行中。”