人造「光合作用」新裝置，助力制氫技術突破桎梏

在彩色電子顯微鏡圖像下觀察到的放大倍數為52.5k的人造光合裝置的塔狀氮化鎵。 這些納米結構可以將水分子分解成氫氣和氧氣，從而生成清潔的氫燃料。圖片來源：Faqrul A. Chowdhury/麥吉爾大學

麥吉爾大學最近研製了一種新型、穩定的人造光合作用裝置，通過該裝置可以使陽光分解水產生氫氣的效率提高一倍，產生的氫氣隨後可以被用於燃料電池。

該設備也可以重新配置，進而將二氧化碳轉化為燃料。

氫氣是最清潔的燃料，其唯一的排放物是水。但是目前生產氫氣的環節並非同樣的環保。常規生產氫氣的方法需要消耗大量的天然氣或電力。而這種被稱為直接太陽能推進水分離的新設備僅使用水和陽光。

「如果我們可以直接將太陽能儲存為化學燃料，就像植物的光合作用一樣，那我們就可以解決大規模利用可再生能源的最核心問題——清潔能源的有效轉化。」在蒙特利爾麥吉爾大學領導這項研究的密歇根大學電氣和計算機工程教授ZetianMi說。

麥吉爾大學的電子和計算機工程學博士FaqrulAlam Chowdhury說道，太陽能電池的問題在於，沒有電池就不能存儲能量，而電池的總體成本很高，而且壽命有限。

他們研製的設備器件由廣泛使用在太陽能電池中的材料製成，包括硅和氮化鎵（常見於LED中）。該設備採用工業級設計，只需陽光和海水，這將為大規模生產清潔氫燃料鋪平道路。

以前的直接太陽能推進水分離的設備在淡水或鹽水中實現了超過1％的穩定太陽能生產氫氣的效率。而其他直接太陽能推進水分離的方法大多因為設備使用成本高，效率低或材料不穩定而無法正常使用，這些分離方法中也包括通過添加高酸性溶液以達到更高的效率。

然而，Mi和他的研發團隊實現了超過3％的太陽能直接生產氫氣的效率。為了達到這種穩定的效率，該團隊建造了一座可以產生電場的納米級氮化鎵「景觀」。氮化鎵可以將一個或多個光子轉化為可移動的電子和空穴，這些轉化的電子-空穴對將水分子分解成氫和氧。

「當這個特殊設計的氮化鎵「景觀」晶圓被光子轟擊時，電場有助於分離光生電子和空穴，從而有效驅動氫和氧分子的生成。」Chowdhury說。

目前，晶元的硅背襯並沒有對其功能做出貢獻，但它本可以做得更多。下一步計劃是利用硅來幫助捕獲光線並將電荷載流子引入塔狀氮化鎵中。

「雖然3％的效率可能看起來很低，但在對這一過程進行了40年研究的背景下，它實際上是一個重大突破。」Mi說。「根據現有的計算方法，自然光合作用的效率約為0.6％。」

他補充說到，5％的轉化效率是商業化的門檻，但他的團隊的目標是達到20％或30％的轉化效率。

Mi同時還進行了類似的研究，以去除其氧氣中的二氧化碳，並將生成的碳轉化為碳氫化合物，如甲醇和合成氣。這個研究路徑可能會讓人造裝置像植物一樣從大氣中去除二氧化碳。

「這是研究中真正令人興奮的部分，」Mi說。

這項研究結果發表在「Nature Communications」雜誌上，篇名為「A photochemical diode artificial photosynthesis system for unassisted high efficiency overall pure water splitting」。與ZetianMi和Chowdhury一起的合作者還包括魁北克交通電氣化與能源儲備中心的Michel Trudeau和麥吉爾大學的洪國（音）。

這項工作也得到了美國能源部燃料電池技術辦公室和加拿大艾伯塔減排部的支持。

文章來自sciencedaily網站，原文題目為Harvesting clean hydrogen fuel through artificial photosynthesis，由材料科技在線匯總整理。

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