一种新的稳定的人造光合作用装置产生了可用于燃料电池的氢

2019-10-15 08:30:35

一种新的稳定的人造光合作用装置使利用阳光分解淡水和咸水的效率提高了一倍,从而产生了可用于燃料电池的氢。该设备也可以重新配置为将二氧化碳变回燃料。

氢是最清洁的燃料,水是唯一的排放物。但是制氢并不总是环保的。常规方法需要天然气或电力。新设备改进的方法称为直接太阳能水分解,仅使用阳光中的水和光。

密歇根大学电气与计算机工程学教授Zetian Mi说:“如果像自然界中的光合作用那样,直接将太阳能存储为化学燃料,就可以解决可再生能源的根本挑战。”在蒙特利尔的麦吉尔大学进行研究。

麦吉尔大学电气和计算机工程专业的博士生Faqrul Alam Chowdhury表示,太阳能电池的问题在于,如果没有电池,它们就无法储存电能,而电池的总成本很高且寿命有限。

该设备由与太阳能电池和其他电子产品相同的广泛使用的材料制成,包括硅和氮化镓(通常在LED中发现)。该设备具有仅在阳光和海水下工作的工业就绪设计,为大规模生产清洁氢燃料铺平了道路。

以前的直接太阳能分水器在淡水或咸水中实现了稳定的1%以上的太阳能转化效率。其他方法还受到使用昂贵,效率低下或不稳定的材料(例如二氧化钛)的困扰,这也可能涉及添加高酸性溶液以达到更高的效率。

但是,Mi和他的团队实现了超过3%的太阳能转化效率。为了达到这种稳定的效率,研究小组建立了纳米尺寸的氮化镓塔城市景观,产生了电场。氮化镓将光或光子变成移动电子和带正电的空缺,称为空穴。这些自由电荷将水分子分解为氢和氧。

乔杜里说:“当这种经过特殊设计的晶片被光子撞击时,电场有助于将光生电子和空穴分开,从而有效地驱动氢和氧分子的产生。”

目前,芯片的硅衬底对其功能没有贡献,但可以做得更多。下一步可能是使用硅来帮助捕获光并将漏斗载流子漏到氮化镓塔上。

Mi说:“尽管将3%的效率看似很低,但在40年来对该工艺进行研究的背景下,这实际上是一个重大突破。” “自然光合作用,取决于您的计算方式,效率约为0.6%。”

他补充说,5%的效率是商业化的门槛,但他的团队的目标是20%或30%的效率。

Mi进行了类似的研究,以除去其氧气中的二氧化碳,将生成的碳转化为碳氢化合物,例如甲醇和合成气。这种研究路径可能像植物一样从大气中清除二氧化碳。

Mi说:“这是真正令人兴奋的部分。”

该设备在《自然通讯》上发表的“用于无辅助高效整体纯水分解的光化学二极管人工光合作用系统”研究中得到了记录。除Mi和Chowdhury之外,合著者还包括魁北克省交通电气化和储能卓越中心的Michel Trudeau和麦吉尔大学的Hong Hong。

这项工作得到了美国艾伯塔省能源与排放部燃料电池技术办公室的支持。

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