據油價(jià)網(wǎng)報道，美國密歇根大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種新型太陽(yáng)能電池板，將水轉化為氫氣和氧氣的效率達到9%，模仿了自然光合作用的關(guān)鍵步驟。在戶(hù)外，它代表了技術(shù)上的重大飛躍，比同類(lèi)太陽(yáng)能水分解實(shí)驗效率高出近10倍。
但最大的好處是降低了可持續氫氣的成本。這是通過(guò)縮小半導體來(lái)實(shí)現的，半導體通常是設備中最昂貴的部分。密歇根大學(xué)科學(xué)家團隊的自我修復的半導體可以承受相當于160個(gè)太陽(yáng)的聚光。
目前，人類(lèi)主要從化石燃料甲烷中生產(chǎn)氫氣，在這個(gè)過(guò)程中使用了大量的化石能源。然而，植物利用陽(yáng)光從水中獲取氫原子。隨著(zhù)人類(lèi)試圖減少碳排放，氫氣作為一種獨立的燃料，以及由回收的二氧化碳制成的可持續燃料的組成部分，都具有吸引力。同樣，許多化學(xué)過(guò)程也需要它，例如生產(chǎn)化肥。
密歇根大學(xué)電氣與計算機工程教授Zetian Mi領(lǐng)導了這項研究，研究結果發(fā)表在《自然》雜志上。Zetian Mi說(shuō)：“最終，我們相信人工光合作用設備將比自然光合作用更有效，這將為實(shí)現碳中和提供一條途徑。”
這一突出成果來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面的進(jìn)展。
第一個(gè)是在不破壞利用光的半導體的情況下集中太陽(yáng)光的能力。密歇根大學(xué)電氣和計算機工程研究員、該研究的第一作者Peng Zhou說(shuō)：“與一些只在低光強度下工作的半導體相比，我們將半導體的尺寸減小為不到原來(lái)的百分之一。用我們的技術(shù)生產(chǎn)氫氣可能會(huì )非常便宜。”
第二種方法是利用太陽(yáng)光譜中能量較高的部分來(lái)分解水，同時(shí)利用光譜中能量較低的部分來(lái)提供熱量來(lái)促進(jìn)反應。這種魔力是由一種半導體催化劑實(shí)現的，這種催化劑在利用陽(yáng)光驅動(dòng)化學(xué)反應時(shí)，會(huì )隨著(zhù)使用而自我改善，抵抗這種催化劑通常會(huì )經(jīng)歷的退化。
除了處理高光強度外，它還可以在對計算機半導體不利的高溫下茁壯成長(cháng)。高溫加速了水的分解過(guò)程，額外的熱量也促使氫氣和氧氣保持分離，而不是重新結合并再次形成水。這兩種方法都幫助研究小組收獲了更多的氫氣。
在戶(hù)外實(shí)驗中，Peng Zhou教授設置了一個(gè)房屋窗戶(hù)大小的透鏡，將陽(yáng)光聚焦到只有幾英寸寬的實(shí)驗面板上。在這個(gè)面板中，半導體催化劑被一層水覆蓋著(zhù)，它分離出的氫氣和氧氣不斷起泡。
催化劑由氮化銦鎵納米結構制成，生長(cháng)在硅表面。半導體晶片捕獲光線(xiàn)，將其轉化為自由電子和小孔——電子被光線(xiàn)釋放后留下的帶正電的空隙。納米結構中布滿(mǎn)了直徑為1/2000毫米的納米級金屬球，利用這些電子和小孔來(lái)幫助引導反應。
面板上的一層簡(jiǎn)單的絕緣層將溫度保持在75攝氏度(167華氏度)，這個(gè)溫度足夠促進(jìn)反應，同時(shí)也足夠涼爽以使半導體催化劑發(fā)揮良好作用。室外版本的實(shí)驗，在陽(yáng)光和溫度不太可靠的情況下，將太陽(yáng)能轉化為氫燃料的效率達到6.1%。然而，在室內，該系統達到了9%的效率。
密歇根大學(xué)科學(xué)家團隊打算解決的下一個(gè)挑戰是進(jìn)一步提高效率，并實(shí)現可以直接輸入燃料電池的超高純度氫氣。
與這項工作相關(guān)的一些知識產(chǎn)權已被授權給NS納米技術(shù)公司和NX燃料公司，這兩家公司都是由Zetian Mi共同創(chuàng )立的。
這是很大的進(jìn)步。9%的效率可能是一個(gè)新的紀錄。剩下的問(wèn)題是成本問(wèn)題。無(wú)論經(jīng)濟如何發(fā)展，這加上一種超級經(jīng)濟的氮肥形成手段將對世界經(jīng)濟作出巨大貢獻。這將節省試圖儲存氫氣的成本，從而簡(jiǎn)化了快速采用。
