科学家们在可持续制氢方面取得重大突破

据报道，美国密歇根大学的科学家们开发了一种新型太阳能电池板，将水转化为氢气和氧气的效率达到9%，模仿了自然光合作用的关键步骤。在户外，它代表了技术上的重大飞跃，比同类太阳能水分解实验效率高出近10倍。

但最大的好处是降低了可持续氢气的成本。这是通过缩小半导体来实现的，半导体通常是设备中最昂贵的部分。密歇根大学科学家团队的自我修复的半导体可以承受相当于160个太阳的聚光。

目前，人类主要从化石燃料甲烷中生产氢气，在这个过程中使用了大量的化石能源。然而，植物利用阳光从水中获取氢原子。随着人类试图减少碳排放，氢气作为一种独立的燃料，以及由回收的二氧化碳制成的可持续燃料的组成部分，都具有吸引力。同样，许多化学过程也需要它，例如生产化肥。

密歇根大学电气与计算机工程教授Zetian Mi领导了这项研究，研究结果发表在《自然》杂志上。Zetian Mi说：“最终，我们相信人工光合作用设备将比自然光合作用更有效，这将为实现碳中和提供一条途径。”

这一突出成果来自两个方面的进展。

第一个是在不破坏利用光的半导体的情况下集中太阳光的能力。密歇根大学电气和计算机工程研究员、该研究的第一作者Peng Zhou说：“与一些只在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸减小为不到原来的百分之一。用我们的技术生产氢气可能会非常便宜。”

第二种方法是利用太阳光谱中能量较高的部分来分解水，同时利用光谱中能量较低的部分来提供热量来促进反应。这种魔力是由一种半导体催化剂实现的，这种催化剂在利用阳光驱动化学反应时，会随着使用而自我改善，抵抗这种催化剂通常会经历的退化。

除了处理高光强度外，它还可以在对计算机半导体不利的高温下茁壮成长。高温加速了水的分解过程，额外的热量也促使氢气和氧气保持分离，而不是重新结合并再次形成水。这两种方法都帮助研究小组收获了更多的氢气。

在户外实验中，Peng Zhou教授设置了一个房屋窗户大小的透镜，将阳光聚焦到只有几英寸宽的实验面板上。在这个面板中，半导体催化剂被一层水覆盖着，它分离出的氢气和氧气不断起泡。

催化剂由氮化铟镓纳米结构制成，生长在硅表面。半导体晶片捕获光线，将其转化为自由电子和小孔——电子被光线释放后留下的带正电的空隙。纳米结构中布满了直径为1/2000毫米的纳米级金属球，利用这些电子和小孔来帮助引导反应。

面板上的一层简单的绝缘层将温度保持在75摄氏度(167华氏度)，这个温度足够促进反应，同时也足够凉爽以使半导体催化剂发挥良好作用。室外版本的实验，在阳光和温度不太可靠的情况下，将太阳能转化为氢燃料的效率达到6.1%。然而，在室内，该系统达到了9%的效率。

密歇根大学科学家团队打算解决的下一个挑战是进一步提高效率，并实现可以直接输入燃料电池的超高纯度氢气。

与这项工作相关的一些知识产权已被授权给NS纳米技术公司和NX燃料公司，这两家公司都是由Zetian Mi共同创立的。

这是很大的进步。9%的效率可能是一个新的纪录。剩下的问题是成本问题。无论经济如何发展，这加上一种超级经济的氮肥形成手段将对世界经济作出巨大贡献。这将节省试图储存氢气的成本，从而简化了快速采用。