萊斯大學(xué)的工程師們能以破紀(jì)錄的效率將太陽光轉(zhuǎn)化為氫氣，這要?dú)w功于一種裝置，它將新一代鹵化物包晶半導(dǎo)體與電催化劑結(jié)合在一個(gè)單一、耐用、高成本效益和可擴(kuò)展的裝置中。這項(xiàng)新技術(shù)在清潔能源領(lǐng)域邁出了重要一步，可作為利用太陽能收集的電能將原料轉(zhuǎn)化為燃料的各種化學(xué)反應(yīng)的平臺(tái)。

革命性的光反應(yīng)器設(shè)計(jì)

阿迪提亞-莫希特（Aditya Mohite）的實(shí)驗(yàn)室專門從事化學(xué)和生物分子工程研究，是建造這種集成光反應(yīng)器的領(lǐng)頭人。該裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵因素是防腐蝕屏障，它能有效地將半導(dǎo)體與水隔絕，同時(shí)又不妨礙電子轉(zhuǎn)移。據(jù)發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上的研究報(bào)告稱，該裝置的太陽能-氫氣轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 20.8%，令人印象深刻。

奧斯汀-費(fèi)爾（Austin Fehr）是一名化學(xué)與生物分子工程博士生，也是這項(xiàng)研究的主要作者之一，他強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)工作的重要性："利用陽光作為能源生產(chǎn)化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)清潔能源經(jīng)濟(jì)的最大障礙之一。我們的目標(biāo)是建立經(jīng)濟(jì)上可行的平臺(tái)，生成太陽能衍生燃料。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種能吸收光線并在其表面完成電化學(xué)分水化學(xué)反應(yīng)的系統(tǒng)。"

這種裝置被稱為光電化學(xué)電池，因?yàn)楣獾奈�收、轉(zhuǎn)化為電能以及利用電能為化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力都發(fā)生在同一個(gè)裝置中。迄今為止，利用光電化學(xué)技術(shù)生產(chǎn)綠色氫氣一直受到效率低和半導(dǎo)體成本高的阻礙。

費(fèi)爾解釋了他們發(fā)明的與眾不同之處："所有這種類型的設(shè)備都只利用陽光和水產(chǎn)生綠色氫氣，但我們的設(shè)備很特別，因?yàn)樗�的效率破了紀(jì)錄，而且使用的半導(dǎo)體非常便宜。"

莫希特實(shí)驗(yàn)室及其合作者通過將他們極具競爭力的太陽能電池轉(zhuǎn)化為反應(yīng)器，利用收集到的能量將水分離成氧氣和氫氣，從而創(chuàng)造出了這一裝置。他們必須克服的挑戰(zhàn)是，鹵化物過氧化物晶石在水中極不穩(wěn)定，用于絕緣半導(dǎo)體的涂層最終不是破壞了它們的功能，就是損壞了它們。

"在過去的兩年里，我們反反復(fù)復(fù)嘗試了不同的材料和技術(shù)，"這項(xiàng)研究的合著者、萊斯大學(xué)化學(xué)工程師邁克爾-王（Michael Wong）說。

在漫長的試驗(yàn)未能取得預(yù)期效果后，研究人員終于找到了一個(gè)成功的解決方案。

Fehr說："我們的主要見解是，你需要兩層屏障，一層用來阻擋水，一層用來在過氧化物層和保護(hù)層之間實(shí)現(xiàn)良好的電接觸。我們的成果是無太陽能濃縮的光電化學(xué)電池中效率最高的，也使用鹵化物包晶石半導(dǎo)體的光電化學(xué)電池中整體效率最高的。"

對(duì)于一個(gè)歷來由昂貴得令人望而卻步的半導(dǎo)體所主導(dǎo)的領(lǐng)域來說，這是一個(gè)創(chuàng)舉，它可能代表了有史以來第一次實(shí)現(xiàn)這類設(shè)備商業(yè)可行性的途徑。研究人員介紹說，他們的阻擋層設(shè)計(jì)適用于不同的反應(yīng)和不同的半導(dǎo)體，因此適用于許多系統(tǒng)。

莫希特小組介紹說："我們希望這樣的系統(tǒng)能成為一個(gè)平臺(tái)，利用豐富的原料，只需陽光作為能量輸入，就能驅(qū)動(dòng)各種電子進(jìn)行燃料形成反應(yīng)。"

Fehr補(bǔ)充說："隨著穩(wěn)定性和規(guī)模的進(jìn)一步提高，這項(xiàng)技術(shù)可以開啟氫經(jīng)濟(jì)，改變?nèi)祟悘幕�石燃料到太陽能燃料的制造方式�?