朝着凭空生产太阳能燃料迈出的一步

几十年来，研究人员一直梦想着一种可以从空气中收集水并提供完全由太阳能驱动的氢燃料的装置。现在，EPFL 化学工程师 Kevin Sivula 和他的团队朝着使这一愿景更接近现实迈出了重要一步。他们开发了一种巧妙而简单的系统，将基于半导体的技术与具有两个关键特征的新型电极相结合：它们是多孔的，可以最大限度地与空气中的水接触;和透明，以最大限度地提高半导体涂层的阳光照射。当设备简单地暴露在阳光下时，它会从空气中吸收水分并产生氢气。结果已于 2023 年 1 月 4 日发表在Advanced Materials上。

“为了实现可持续发展的社会，我们需要将可再生能源储存为化学物质的方法，这些化学物质可用作工业中的燃料和原料。太阳能是可再生能源中最丰富的形式，我们正在努力开发具有经济竞争力的太阳能生产方式燃料，”EPFL 光电纳米材料分子工程实验室的 Sivula 和该研究的首席研究员说。

来自植物叶子的灵感

在对可再生无化石燃料的研究中，EPFL 工程师与欧洲丰田汽车公司合作，从植物利用空气中的二氧化碳将阳光转化为化学能的方式中汲取灵感。植物本质上是从环境中获取二氧化碳和水，在阳光的额外能量推动下，可以将这些分子转化为糖和淀粉，这一过程称为光合作用。阳光的能量以化学键的形式储存在糖和淀粉内部。

图片来源：洛桑联邦理工学院

Sivula 和他的团队开发的透明气体扩散电极，当涂上光收集半导体材料时，确实像人造树叶一样，从空气和阳光中收集水分以产生氢气。太阳光的能量以氢键的形式储存。

它们的基板实际上是毡化玻璃纤维的 3 维网格，而不是使用传统的对阳光不透明的层来构建电极。

这项工作的主要作者 Marina Caretti 说：“开发我们的原型设备具有挑战性，因为之前没有展示过透明的气体扩散电极，我们必须为每个步骤开发新的程序。但是，由于每个步骤都相对简单且可扩展性，我认为我们的方法将为广泛的应用开辟新的视野，从用于太阳能驱动的氢气生产的气体扩散基板开始。”

从液态水到空气中的湿气

Sivula 和其他研究小组此前已经表明，可以使用一种称为光电化学 (PEC) 电池的装置从液态水和阳光中产生氢燃料，从而进行人工光合作用。PEC电池通常被称为一种利用入射光刺激光敏材料(如半导体)浸入液体溶液中引起化学反应的装置。但出于实际目的，此过程有其缺点;例如，制造使用液体的大面积 PEC 设备很复杂。

Sivula 希望展示 PEC 技术可以改为从空气中收集湿度，从而开发出新的气体扩散电极。电化学电池(例如，燃料电池)已被证明可以使用气体而不是液体工作，但之前使用的气体扩散电极是不透明的，并且与太阳能 PEC 技术不兼容。

现在，研究人员正集中精力优化系统。理想的纤维尺寸是多少?理想的孔径?理想的半导体和膜材料?这些是欧盟 Sun-to-X 项目正在研究的问题，该项目致力于推进这项技术，并开发将氢转化为液体燃料的新方法。

制作透明的气体扩散电极

为了制造透明的气体扩散电极，研究人员从一种玻璃棉入手，这种玻璃棉本质上是石英(也称为氧化硅)纤维，通过在高温下将纤维熔合在一起，将其加工成毛毡晶片。接下来，在晶圆上涂上一层透明的掺氟氧化锡薄膜，该薄膜以其出色的导电性、坚固性和易于放大而著称。

这些第一步会产生透明、多孔且导电的晶圆，这对于最大限度地与空气中的水分子接触并让光子通过至关重要。然后再次涂上晶圆，这次涂上一层吸收阳光的半导体材料薄膜。这第二个薄涂层仍然让光线通过，但由于多孔基材的表面积大而显得不透明。事实上，这种带涂层的晶圆一旦暴露在阳光下就可以产生氢燃料。

科学家们继续建造一个包含涂层晶圆的小室，以及一个用于分离产生的氢气以进行测量的膜。当他们的腔室在潮湿条件下暴露在阳光下时，会产生氢气，从而实现了科学家们的目标，表明可以实现用于太阳能生产氢气的透明气体扩散电极的概念。

虽然科学家们没有在他们的演示中正式研究太阳能到氢气的转换效率，但他们承认这个原型的效率并不高，目前低于液基 PEC 电池所能达到的水平。根据所使用的材料，涂层晶圆的最大理论太阳能-氢气转换效率为 12%，而液体电池已被证明效率高达 19%。

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