2022-06-13
 
地球丰富的太阳像素数周内可产生氢气
2022年06月13日   阅读量:128

最新研究表明,由现成的氧化物和碳基材料制成的装置可以在数周内从水中产生清洁的氢气。

剑桥大学圣约翰学院研究员维吉尔·安德烈博士与伦敦帝国理工学院的学者共同领导的这项研究发现,可能有助于克服太阳能燃料生产中的一个关键问题,因为目前地球上丰富的吸光材料无论是性能还是稳定性都受到限制。

未充分开发的采光材料

氢燃料将在向完全脱碳过渡和实现英国2050年净零排放目标方面发挥关键作用。由于目前大多数氢是由化石燃料提供的,研究人员现在正在努力寻找更可持续地生产氢的方法。实现这一目标的一种方法是制造能够收集阳光和分解水以产生绿色氢气的设备。

虽然许多吸光材料已经过绿色制氢测试,但大多数材料在浸入水中时降解很快。例如,就捕光效率而言,钙钛矿是增长最快的材料,但在水中不稳定,并且含有铅。这存在泄漏风险;因此,研究人员一直致力于开发无铅替代品。

碘氧化铋(BiOI)是一种无毒的半导体替代品,由于其在水中稳定性差,在太阳能燃料应用中被忽视。但是,基于之前对生物质能潜力的研究结果,研究人员决定重新审视这种材料在生产绿色氢气方面的前景。

Robert Hoye博士,伦敦帝国理工学院材料系讲师,解释:“碘氧化铋是一种迷人的光活性材料,其能级位于水分解的正确位置。几年前,我们证明了BiOI太阳能电池比使用最先进钙钛矿光吸收剂的太阳能电池更稳定。我们想看看是否能将这种稳定性转化为绿色制氢。”

剑桥大学材料科学与冶金系朱迪思·德里斯科尔教授表示:“由于这种材料具有广泛的潜在应用,以及其制造简单、低毒性和稳定性好,我们研究这种材料已经有一段时间了。将剑桥大学不同研究组的专业知识与帝国理工大学的专业知识结合在一起真是太好了。”

太阳能燃料生产的突破

研究小组创造了模拟植物叶片自然光合作用过程的装置,除了它们产生氢等燃料,而不是糖。这些人造树叶装置是由生物有机物和其他可持续材料制成的,可以收集阳光来产生O2、H2和CO。

研究人员发现了一种通过在两个氧化层之间插入BiOI来提高这些人造树叶装置稳定性的方法。坚固的氧化物基器件结构进一步涂上防水石墨糊,防止水分渗透。这将碘氧化铋吸光像素的稳定性从几分钟延长到几个月,包括设备存放的时间。

这是一个重要的发现,它将BiOI转化为一个可行的光采集器,用于稳定的绿色氢气生产。

“与独立的BiOI相比,这些氧化层提高了产氢的能力,”罗伯特·贾格特博士(剑桥大学材料科学与冶金系)说道,他是该研究的联合牵头人之一。

研究人员进一步发现,由多个采光区域(称为“像素”)组成的人工叶子装置与具有相同总尺寸的单个较大像素的传统装置相比,表现出更高的性能。这一发现可以使新型轻型收割机更容易、更快地扩大规模,以实现可持续的燃料生产。

剑桥化学系的联合首席作者维吉尔·安德烈博士解释道:“即使某些像素出现故障,我们也能够断开它们的连接,因此它们不会影响其他像素。这意味着我们可以在更大的区域维持小像素的性能。”这种性能的提高使该装置不仅能够生产氢气,而且还可以将二氧化碳还原为合成气,合成气是化工和制药工业合成的重要中间体。

展望未来

研究结果表明,这些新设备有可能挑战现有光吸收器的性能。使BiOI人造叶装置更加稳定的新方法现在可以转化为其他新型系统,帮助它们走向商业化。

“这是一个令人兴奋的发展。目前,很少有太阳能燃料系统显示出与实际应用兼容的稳定性。通过这项工作,我们朝着建立循环燃料经济迈出了一步,”通讯作者之一欧文·赖斯纳教授(剑桥化学系)表示。

研究结果已发表在《自然材料》杂志上。

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