歐美團隊研發新型水分解製氫技術,轉換效率已突破 19.3%

發佈日期: 2018 年 07 月 09 日 13:20 | 作者: | 分類: 產業資訊

假如科學家能成功透過分解水獲取氫氣,製氫技術或許能擺脫化石燃料,讓燃料電池成為百分之百綠能技術。但是說得簡單,實際上水分解製氫又貴又複雜,光催化反應也常常需要鉑等貴金屬參與,可說是科學家難以突破的大挑戰。

而近期歐美聯合科學團隊成功在太陽能水分解製氫有所突破,利用光催化劑銠奈米粒子、二氧化鈦結晶塗層與III-V族半導體串聯太陽能電池將水分解製氫轉換效率提升到 19.3%。不管是轉換效率還是穩定性,都比以往的綠能製氫技術還要高,且只要將設備浸入水介質(aqueous medium)中,就可以直接產生氫氣,大大減少製氫複雜性。

該研究團隊由德國光電半導體元件實驗室 Helmholtz-Zentrum Berlin(HZB)、英國劍橋大學、美國加州理工學院(Caltech)、德國伊爾梅瑙工業大學(TU Ilmenau)和 德國 Fraunhofer 太陽能系統研究所(ISE)跨國組成,並已發表在《ACS Energy Letters》。

為了簡化水分解製氫的複雜性,該科學團隊決定打造一個「萬能鑰匙」,將光催化粒子、串聯半導體太陽能電池與二氧化鈦結晶層組合成一片獨立光電極(monolithic photocathode),只要將該光電極浸泡在水溶液中、接觸陽光,電極就會開始運作並產生氫氣與氧氣。

光電極正面會產生氫氣,背面則負責製造氧氣。圖片來源:HZB

不過要讓光電極成功並穩定運作也不容易,研究員在材料下了不少功夫,像是為不讓半導體電池受到各式溶液腐蝕,團隊在電池上覆塗結晶二氧化鈦層。HZB 科學家 Matthias May 指出,二氧化鈦結晶層除了可以減少表面光反射(surface reflectivity),還可以抗腐蝕,將電池壽命從原本的 40 小時延長到 100 小時。

而二氧化鈦層除了具有優異的抗腐蝕、光反射性能,也能讓光催化劑顆粒也能輕鬆附著在上面,讓光電極具有一片多功能效果。Caltech 教授 Harry Atwater 表示,團隊利用新電化學方法製造銠奈米粒子光催化劑,其直徑只有10nm、在光學上來說幾乎是透明的,相當適合用於促進水分解反應。

研究結果也非常符合科學家預期,該電池轉換效率除了在中性電解液達 18.5%,浸泡在稀溶液(dilute aqueous)中也能高水準發揮、轉換效率突破 19.3%,已十分接近最高理論效率 23%。

團隊也樂觀看待,認為他們可以利用材料電子特性達成目標,並透過最佳化材料組合,進一步降低成本、擴大規模,將水分解製氫設備帶出實驗室。目前 ISE 也正和 TU Ilmenau 團隊將 III-V 半導體與矽結合,打造成本更低的電池,有望製造出低成本高效率、符合消費者與科學家期待的綠能製氫技術。(文/DaisyChuang)

(首圖來源:Pixabay

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