太阳能制氢新突破 研究团队刚搞定了低成本制氧这“半个”问题

水裂解装置示意（来自：UTEXAS / 科克雷尔工程学院）

在近日发表于《自然通讯》期刊上的一篇文章中，该校研究人员找到了一种利用阳光来有效从水中分离氧分子的方法。

早在 1970 年代，就已经有研究人员提出了利用太阳能来制氢的可能性。但由于无法找到有效催化的特殊材料，该方法迟迟未能流行开来。

光电阳极期间的几何结构与功能示意

科克雷尔工程学院的电气与计算机工程系教授 Edward Yu 表示：“你需要高效地吸收太阳能，同时确保材料不会在水解反应时被降解”。

事实证明，在水分解反应所需的条件下，善于吸收阳光的材料往往不够稳定，而稳定的材料又常常对阳光的吸收能力较差。

研究配图 – 1：金属-绝缘体-半导体光阳极示意

这些矛盾点，使得研究人员必须在多方面有所折衷。但通过将多种材料组合到单体设备中，即可有效化解这种冲突。

此例中，研究团队就结合了一种能够高效吸收太阳能的材料（比如硅），辅以稳定性更好的另一种材料（例如二氧化硅）。

研究配图 – 2：Al尖峰后的电阻变化

实际运用中，这又带来了另一项挑战 —— 在硅中吸收太阳能所产生的电子和空穴，必须能够轻松地穿过二氧化硅层。

一方面，这意味着层厚度不超过几纳米。但另一方面，它这又会降低其保护硅吸收剂免于降解的有效性。

研究配图 – 3：Ni 电沉积的表征

好消息是，研究团队找到了一种通过厚二氧化硅层来创建导电路径的方法。新方案能够低成本地运用，并扩展到大批量生产流程中。

为此，Edward Yu 及其团队率先在半导体电子芯片制造工艺中运用了这项新技术。

研究配图 – 4：Ni/90 nm SiO₂/n-Si 光电层的 PEC 表征

通过铝薄膜涂覆二氧化硅层，然后价格整个结构，以形成铝“尖峰”阵列，并完全桥接二氧化硅层。然后就可轻易被镍、或其它有助于催化水分解的材料所取代。

当受到阳光照射时，这些器件能够有效地将让水形成氧分子，同时在单独的电极上产生氢气，并在长时间运行期间表现出出色的稳定性。

研究配图 – 5：不同模型的潜在分布模拟

更棒的是，由于制造这些设备的技术，已被广泛运用于半导体电子产品的制造，所以新装置的大规模生产也将相当容易扩展。

目前该团队已提交临时专利申请，并期望尽快将该技术投入商业化。

研究配图 – 6：Ni / SiO₂ / P⁺n-Si 光电极的尖峰表征与模拟

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《Nature Communications》期刊上。

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