太陽能制氫新突破 研究團隊剛搞定了低成本制氧這“半個”問題

數十年來,世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽能制氫的關鍵反應方法,即如何將水分子分解成氫氣和氧氣。儘管大多數努力以失敗而告終,且少數成果也面臨著成本過高的尷尬。德克薩斯大學奧斯汀分校的一支研究團隊,還是設法找到了一種低成本的“半個”解決方案。

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水裂解裝置示意(來自:UTEXAS / 科克雷爾工程學院)

在近日發表於《自然通訊》期刊上的一篇文章中,該校研究人員找到了一種利用陽光來有效從水中分離氧分子的方法。

早在 1970 年代,就已經有研究人員提出了利用太陽能來制氫的可能性。但由於無法找到有效催化的特殊材料,該方法遲遲未能流行開來。

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光電陽極期間的幾何結構與功能示意

科克雷爾工程學院的電氣與計算機工程系教授 Edward Yu 表示:“你需要高效地吸收太陽能,同時確保材料不會在水解反應時被降解”。

事實證明,在水分解反應所需的條件下,善於吸收陽光的材料往往不夠穩定,而穩定的材料又常常對陽光的吸收能力較差。

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研究配圖 – 1:金屬-絕緣體-半導體光陽極示意

這些矛盾點,使得研究人員必須在多方面有所折衷。但通過將多種材料組合到單體設備中,即可有效化解這種衝突。

此例中,研究團隊就結合了一種能夠高效吸收太陽能的材料(比如硅),輔以穩定性更好的另一種材料(例如二氧化硅)。

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研究配圖 – 2:Al尖峰后的電阻變化

實際運用中,這又帶來了另一項挑戰 —— 在硅中吸收太陽能所產生的電子和空穴,必須能夠輕鬆地穿過二氧化硅層。

一方面,這意味着層厚度不超過幾納米。但另一方面,它這又會降低其保護硅吸收劑免於降解的有效性。

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研究配圖 – 3:Ni 電沉積的表徵

好消息是,研究團隊找到了一種通過厚二氧化硅層來創建導電路徑的方法。新方案能夠低成本地運用,並擴展到大批量生產流程中。

為此,Edward Yu 及其團隊率先在半導體電子芯片製造工藝中運用了這項新技術。

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研究配圖 – 4:Ni/90 nm SiO2/n-Si 光電層的 PEC 表徵

通過鋁薄膜塗覆二氧化硅層,然後價格整個結構,以形成鋁“尖峰”陣列,並完全橋接二氧化硅層。然後就可輕易被鎳、或其它有助於催化水分解的材料所取代。

當受到陽光照射時,這些器件能夠有效地將讓水形成氧分子,同時在單獨的電極上產生氫氣,並在長時間運行期間表現出出色的穩定性。

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研究配圖 – 5:不同模型的潛在分佈模擬

更棒的是,由於製造這些設備的技術,已被廣泛運用於半導體電子產品的製造,所以新裝置的大規模生產也將相當容易擴展。

目前該團隊已提交臨時專利申請,並期望儘快將該技術投入商業化。

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研究配圖 – 6:Ni / SiO2 / P+n-Si 光電極的尖峰表徵與模擬

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的《Nature Communications》期刊上。

原標題為《Scalable, highly stable Si-based metal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated using thin-film reactions and electrodeposition》。

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上一篇 2021-07-26 14:53
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