从以色列到中国：太阳能制氢是这样发展的

在此前的文章中，我们曾为大家介绍过绿氢能源的发展，而氢能源的制备，也逐渐成为了各方能源机构关注的话题；在传统的制氢方法中，化石燃料制取的氢占全球的90%以上。化石燃料制氢主要以蒸汽转化和变压吸附相结合的方法制取高纯度的氢。利用电能电解水制氢也占有一定的比例。太阳能制氢是近30～40年才发展起来的。到目前为止，对太阳能制氢的研究主要集中在如下几种技术：热化学法制氢、光电化学分解法制氢、光催化法制氢、人工光合作用制氢和生物制氢。

以色列的太阳制氢发展

2020年以色列和意大利科学家开发出一种可再生能源技术，可将太阳能转化为氢燃料。据称，该技术正处于“实际”可行的临界点。

这种新的太阳能技术将以一种可持续的方式，将水和阳光转化为可供燃料电池存储的能源，而所储存的电力可以并入电网，也可用于由燃料电池驱动的卡车、火车、汽车、轮船、飞机或工业流程。以色列理工学院化学系副教授Lilac Amirav表示，可以把这项研究看作是一种人工光合作用。(如果可以扩大规模，该技术最终将成为“太阳能工厂”的基础，其中太阳能集热器阵列将水分解成氢燃料，以及一种或多种工业化学品。)Amirav说：“我们从一种半导体开始，它与太阳能电池板上的半导体非常相似。”但是，他们研究的不是利用太阳光释放电子电流的光电路线，而是利用太阳光有效地、经济地从水分子中剥离氢。

到目前为止，最大的障碍是氢和氧一旦分离就很容易重新结合。也就是说，除非能在反应过程中加入催化剂，使这两种元素彼此分离。因此，Amirav及其同事开发了一种棒状纳米颗粒，长50-60纳米，直径只有4.5纳米，顶端都有直径2-3纳米的铂球，就像固定在吸管末端的纳米弹珠。自2010年，该团队一直在调整设计，以最大限度地提高棒状纳米颗粒的性能，将“太阳能转化为化学能”，尽可能多地提取氢气和多余能量。

从水中生成氢分子的同时，也会产生氧气，必须合理处理这些副产品。Amirav说：“氢是一种燃料，当你考虑人工光合作用时，你关心的是氢。在这一过程中，氧不是一个有趣的产物，它是一个瓶颈。”从水分子中分裂出来的氧气，也会带走反应能量，这是无法回避的事实。如果不对其加以利用，最终会浪费太阳能，导致整体反应效率下降。因此，研究人员在这一过程中加入另一反应。他们的镀铂纳米棒催化剂，不仅可以利用太阳能将水转化为氢，还能利用释放出来的氧气，将有机分子苄胺转化为工业化学物质苯甲醛(通常用于染料、香料提取物和香水)。

总而言之，这类纳米棒可以将入射阳光能量的4.2%转化为化学键。仅仅考虑到氢燃料的能量，就可以将3.6%的太阳能转化为储存燃料。这些数字可能看起来微不足道，但仍高于以前技术所能达到的1-2%。根据美国能源部的数据，效率达到5- 10%，是太阳能制氢“实际可行的门槛”。研究人员通过人工智能数据挖掘专家进行新研究，以进一步提高效率。Amirav表示：“我们正在寻找可替代的有机转换方案。”研究人员希望，他们的太阳能工厂可以生产氢燃料和其它一系列有用的工业副产品。利用他们的人工光合作用工艺，未来可以产生低排放能源，以及一些有益的化学提取物。

中国科学家大幅提升利用太阳能制氢的效率

近日中国科学技术大学团队基于窄带隙半导体材料，设计了一种具有近红外活性的晶格匹配的形貌异质结光阳极材料，所研制的异质结表现出优异的光电化学制氢性能。相关成果日前发表在《自然•通讯》上。

将太阳能直接转化为化学燃料提供了一种存储可再生能源的方法。然而，光电化学制氢的实际应用依然受阻于其低的能量转换效率。目前，越来越多的半导体可以作为光阳极材料。但是，这些半导体一般具有宽的带隙，这将他们的光谱吸收范围限制在紫外光区和可见光区。但是红外光占了太阳光能量的50%左右，所以，将材料的光谱吸收范围扩展至红外区有助于器件的效率大幅提升。

窄带隙半导体具备近红外光谱吸收能力。然而，窄带隙半导体中的电子-声子相互作用会导致光生载流子的寿命变短，这会导致催化剂表面的光生空穴浓度降低，进而降低了表面氧化反应发生的概率。至今，近红外光活性光阳极的光电转换效率（IPCE）始终难以提高。

研究人员设计了一种具有晶格匹配的形貌异质结的三元合金基光阳极，该电极的光谱吸收范围扩展到了1100纳米，其光电化学制氢的能量转换效率得以改善。晶格匹配的形貌异质结由于避免了晶格失配的影响而降低了界面缺陷的存在，有利于降低光生载流子的复合速率。实验证明，异质结的存在提高了光生载流子的分离效率，进而延长了载流子的寿命。因此，在近红外光下，该材料光阳极的IPCE和光电流密度均展现出了优异的性能。这项研究提出了一种具有近红外活性的形貌异质结的构筑策略。通过将窄带隙半导体的优势整合到晶格匹配的形貌异质结中，为设计有效的近红外活性的光电化学器件提供了新的可能性。而进一步成本的降低，也将为太阳能制氢提供了更多的可实施空间。

（文章内容来源于网络）

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