在近日發(fā)表于《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(yáng)光來(lái)有效從水中分離氧分子的方法。
早在 1970 年代，就已經(jīng)有研究人員提出了利用太陽(yáng)能來(lái)制氫的可能性。但由于無(wú)法找到有效催化的特殊材料，該方法遲遲未能流行開(kāi)來(lái)。
光電陽(yáng)極期間的幾何結構與功能示意
科克雷爾工程學(xué)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(yáng)能，同時(shí)確保材料不會(huì )在水解反應時(shí)被降解”。
事實(shí)證明，在水分解反應所需的條件下，善于吸收陽(yáng)光的材料往往不夠穩定，而穩定的材料又常常對陽(yáng)光的吸收能力較差。
研究配圖 - 1：金屬-絕緣體-半導體光陽(yáng)極示意
這些矛盾點(diǎn)，使得研究人員必須在多方面有所折衷。但通過(guò)將多種材料組合到單體設備中，即可有效化解這種沖突。
此例中，研究團隊就結合了一種能夠高效吸收太陽(yáng)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)。
研究配圖 - 2：Al尖峰后的電阻變化
實(shí)際運用中，這又帶來(lái)了另一項挑戰 —— 在硅中吸收太陽(yáng)能所產(chǎn)生的電子和空穴，必須能夠輕松地穿過(guò)二氧化硅層。
一方面，這意味著(zhù)層厚度不超過(guò)幾納米。但另一方面，它這又會(huì )降低其保護硅吸收劑免于降解的有效性。
研究配圖 - 3：Ni 電沉積的表征
好消息是，研究團隊找到了一種通過(guò)厚二氧化硅層來(lái)創(chuàng )建導電路徑的方法。新方案能夠低成本地運用，并擴展到大批量生產(chǎn)流程中。
為此，Edward Yu 及其團隊率先在半導體電子芯片制造工藝中運用了這項新技術(shù)。
研究配圖 - 4：Ni/90 nm SiO2/n-Si 光電層的 PEC 表征
通過(guò)鋁薄膜涂覆二氧化硅層，然后價(jià)格整個(gè)結構，以形成鋁“尖峰”陣列，并完全橋接二氧化硅層。然后就可輕易被鎳、或其它有助于催化水分解的材料所取代。
當受到陽(yáng)光照射時(shí)，這些器件能夠有效地將讓水形成氧分子，同時(shí)在單獨的電極上產(chǎn)生氫氣，并在長(cháng)時(shí)間運行期間表現出出色的穩定性。
研究配圖 - 5：不同模型的潛在分布模擬
更棒的是，由于制造這些設備的技術(shù)，已被廣泛運用于半導體電子產(chǎn)品的制造，所以新裝置的大規模生產(chǎn)也將相當容易擴展。
目前該團隊已提交臨時(shí)專(zhuān)利申請，并期望盡快將該技術(shù)投入商業(yè)化。
研究配圖 - 6：Ni / SiO2 / P+n-Si 光電極的尖峰表征與模擬
有關(guān)這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)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》。
