想不靠電只靠光來制氫，現在還缺點什麼？

光解水制氫技術始自1972年，是指利用太陽光通過光電作用將水裂解為氫氣和氧氣的方法，是綠色制氫的重要方法。

但是受限於電極材料和催化劑，先前研究得到的光解水效率普遍不高，均在10%左右，性質優異的半導體材料如雙界面砷化鎵電極也僅能達到13%左右。

近日，一個國際研究團隊現已成功地將太陽能直接分解水制氫的效率提高到19％，創造了新的世界紀錄。

他們通過將由銠納米顆粒和結晶二氧化鈦催化劑塗層製備而成太陽能電池串聯，從而實現該記錄。

來自加州理工學院，劍橋大學，伊爾梅瑙工業大學和弗勞恩霍夫太陽能研究所的研究團隊共同參與了開發工作。部分實驗在柏林Helmholtz-Zentrum的太陽能燃料研究所進行。

實驗採用的單片光電陰極結構及透明防護層功能示意

科研人員發現，使用太陽能電池與催化劑和額外功能層結合在一起形成「單片光電極」可以進行水解反應：將光電陰極浸入水性介質中，當光線落在其上時，正面會產生氫氣，背面會產生氧氣。

此次研究的重點也是單片光電陰極，研究團隊將額外的功能層與III-V半導體製成的高效串聯電池相結合，能夠顯著降低電池的表面反射率，從而避免由光吸收和反射引起的能量損失。

該研究團隊在2015年已經實現了超過14％的效率，如今採用結晶二氧化鈦層取代了防腐頂層，不僅具有優異的抗反射性能，而且可以直接將催化劑顆粒附著在其表面。

此外，科研人員還使用了一種新的電化學方法來生產銠納米顆粒催化劑，用於催化水分解反應，顆粒的直徑僅為10納米，光學上幾乎是透明的，因此非常適合光解水反應。

(a) 集成化GaAs光電極的製備過程示意圖；

(b) 通過印刷組裝得到的GaAs光電極橫截面圖示。在催化過程中，當太陽光從玻璃基底的底部照射進來，催化產氫發生在電極表面，而電解則是發生在電極的另外一個表面；

(c) 微米級GaAs光陰極的光學顯微圖片，由圖可知在晶片上形成歐姆接觸和抗反射塗層(ARC)；

(d) 印刷在玻璃基底上，裸露的n+-GaAs的圖像，插圖為完整GaAs光電極的光催化活性表面，其中還包括聚亞醯胺封裝層和Pt共催化劑；

(e) 厘米尺度下的GaAs光陽極圖像，插圖為電極表面的放大圖示；

現階段，在光電作用下進行太陽能光解水的方法包括光電化學法、均相光助絡合法和半導體光催化法。

光電化學法主要是藉助太陽來事吸收周邊的太陽能，將吸收到的光轉變為新的可利用太陽能。

光陽極在一般情況下會使用半導體材料，由陰陽極共同組成光化學電池，在電解質環境依託光陽極來吸收周圍的陽光，之後在半導體上產生電子，之後藉助外路電流將電子傳輸到陰極上。

水中的質子能夠從陰極接收到電子產生的氫氣。在太陽能光解水制氫催化劑的過程中，光解水的效率深受光激勵下自由電子空穴對數量、自由電子空穴對分離和壽命、逆反應抑制等因素的影響。

此次報道的研究屬於半導體催化法，光催化裂解水制氫在環境保護、能源開發利用中擁有廣闊的發展前景。

本研究的重點在於電極構造、性能和覆膜材料的運用，同時，光催化劑也是決定光催化過程能否在實際應用的重要因素。

在社會科技的推動下，光催化研究取得了一定的進展，但是距離實際應用仍然存在較大的差距，怎樣藉助最新技術探索、開發潛在的高效能光催化劑、優異的新型半導體和覆膜塗層等電極相關材料成為相關人員需要思考和解決的問題。

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來源：能鏈

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