德國與荷蘭科學家聯合開發利用太陽能電解水制氫技術

德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心(HZB)與荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)的研究人員聯合組成的科研團隊，成功研發出一種利用太陽能進行電解水制氫的廉價方法，相關成果發表在近日出版的《自然·通訊》雜志上。

科學家們開發的這套系統可以通過太陽光將水分解成氫氣和氧氣，這使得太陽能可以被轉換成氫能并存儲起來。HZB太陽能燃料研究所主任羅爾·范·德克羅爾教授說：“我們結合了兩方面的最佳之處。我們利用了金屬氧化物的化學穩定性和低廉的價格，將其與一個很好但相當簡單的薄膜硅太陽電池結合，從而得到一個便宜、非常穩定和高效的（水解氫氣的）組件。”

當光線射入這個相對簡單的具有金屬氧化物層的硅薄膜電池時，系統會產生一個電壓。金屬氧化物層起光負極的作用，成為氧形成的地方，它通過一個石墨導電橋連接到太陽電池組件。由于只有金屬氧化物層接觸到電解液，所以太陽電池組件的其他部分不會受到腐蝕。鉑金線圈則被用作正極，這是氫氣形成的地方。粗略計算這種技術具有的潛力：以德國每平方米大約600瓦的太陽光能來計算，100平方米這樣的系統可以在一個小時的日照下分離生成3千瓦時以氫氣形式存儲的能量。

科學家們系統研究了在從光入射到電荷分離、直至水分解的過程中，不同的金屬氧化物所起的作用，以便進一步優化這一過程。德克羅爾說，理論上釩酸鉍(BiVO4)光負極的效率最高可達9%。通過使用一種廉價的磷酸鈷催化劑，科學家們顯著地加快了光負極上氧的生成。研究中最大的挑戰是釩酸鉍層電荷高效的分離。盡管金屬氧化物穩定并且便宜，但帶電粒子會趨于迅速重組，使得分解水的過程失效。德克羅爾和他的同事通過研究發現，在釩酸鉍層里加入額外的鎢原子是有幫助的，這些鎢原子產生的內部電場可以很好地防止重組的發生。

系統中最重要的光負極是由添加了鎢原子的金屬氧化物釩酸鉍制成，并用廉價的鈷磷酸鹽催化劑噴涂和包覆。為了實現這一目標，科學家將含鉍、釩、鎢的溶液噴射到熱玻璃基板上，然后將溶劑蒸發。通過多次噴涂不同濃度的溶液，得到了一個厚度約300納米的高效光活性金屬氧化物層。德克羅爾說：“我們仍然不是很了解為什么釩酸鉍工作得非常好。但我們發現，超過80%的被吸收的光子得到了利用，這實在是一個創紀錄的金屬氧化物，也是物理學的奇跡。下一個挑戰是按比例將這樣的系統擴展到平方米大小，從而使它們可以生成更多的氫氣。”