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金屬氧化物太陽能電解水實現(xiàn)5%光氫轉(zhuǎn)換紀錄
日期:2014-02-11   [復制鏈接]
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  荷蘭代爾夫特理工大學(TU Delft)的中國博士韓李豪(Lihao Han)和德國亥姆霍茲柏林太陽能燃料研究所(HZB)的博士后阿布迪(Fatwa F. Abdi),近期研發(fā)成功一款基于釩酸鉍薄膜和硅基薄膜的太陽能器件。研究人員將該器件置于溶液中并加以光照,金屬氧化物端會電解水產(chǎn)生氧氣,同時會在對電極制得氫氣。這項技術(shù)讓光生制氫技術(shù)取得了重大突破,實現(xiàn)了金屬氧化物太陽能電解水的世界最高轉(zhuǎn)化紀錄:5%。



  隨著光伏技術(shù)的大力發(fā)展,如何清潔、高效、廉價地對太陽能進行存儲已經(jīng)成為一項急需解決的科學問題。光電化學(Photoelectrochemistry)的方法在近些年逐步成為了各大高校和研究機構(gòu)的研究熱點。

  研究人員提出了氧化鈦(TiO2)、氧化亞銅(Cu2O)、氧化鎢(WO3)等不同的材料來嘗試太陽能制氫。但是至今卻未能有一種主流的材料得到大范圍的應用,原因是得到大范圍應用的光電化學材料必須是廉價的,并且能在酸性或者堿性的電解液中長時間穩(wěn)定高效地工作。

  韓李豪(Lihao Han)說:“我們的科研團隊提出了一種高性能的光電化學器件。我們選用了釩酸鉍(BiVO4)作為光生陽極。釩酸鉍是一種廣泛應用于黃色顏料工業(yè)和汽車工業(yè)的廉價金屬氧化物材料,應用于制氫具有巨大的成本優(yōu)勢。通過改變鎢摻雜的濃度,在我們的器件中材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了彎曲,產(chǎn)生的載流子更加有效地向兩極分離,從而提高了光生制氫的效率。在金屬氧化物層的背面,我們集成了非晶硅薄膜疊層電池(a-Si:H/a-Si:H)技術(shù)。非晶硅薄膜電池的光學帶隙小于釩酸鉍的光學帶隙,因此它能吸收釩酸鉍未完全利用的綠光、紅光、近紅外光,為反應的發(fā)生提供了足夠的電壓。”

  科學家們開發(fā)的這套低成本的系統(tǒng)通過太陽光將水分解成氫氣和氧氣,這使得太陽能可以被轉(zhuǎn)換成氫能并存儲起來。其中新型的器件結(jié)構(gòu),能帶結(jié)構(gòu)的彎曲,太陽能全光譜的吸收利用,新型光捕獲等關(guān)鍵技術(shù),為下一步的研究提供了新方向和新思路。

  該研究團隊中,韓李豪畢業(yè)于中國清華大學,現(xiàn)為美國加州理工學院(Caltech)訪問學者和荷蘭代爾伏特理工大學博士研究員;阿布迪畢業(yè)于新加坡南洋理工大學,美國麻省理工學院(MIT)訪問學者,荷蘭代爾伏特理工大學博士,現(xiàn)為德國亥姆霍茲柏林太陽能燃料研究所(HZB)的博士后研究員。

  相關(guān)成果發(fā)表在2014年1月2日出版的《物理化學及化學物理》(Phys. Chem. Chem. Phys.)和《自然—通訊》(Nature Communication)雜志上。

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