幾十年來，世界各地的研究人員一直在尋找方法，利用太陽能來產(chǎn)生作為清潔能源的氫氣生產(chǎn)的關(guān)鍵反應(yīng)--將水分子分裂成氫氣和氧氣。然而，這些努力大多都失敗了，因?yàn)樽龊盟某杀咎撸噲D以低價(jià)做它又導(dǎo)致性能不佳。

現(xiàn)在，來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員已經(jīng)找到了一種低成本的方法來解決這個(gè)方程式的一半，利用陽光來有效地從水中分裂出氧分子。最近發(fā)表在《自然通訊》上的這一發(fā)現(xiàn)，代表著向更多地采用氫氣作為我們能源基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)關(guān)鍵部分邁進(jìn)了一步。

早在20世紀(jì)70年代，研究人員就在研究利用太陽能產(chǎn)生氫氣的可能性。但由于無法找到具有能夠有效進(jìn)行關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備所需的綜合特性的材料，使其無法成為一種主流方法。

科克雷爾學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程系的教授愛德華-于說："你需要善于吸收陽光的材料，同時(shí)在發(fā)生分水反應(yīng)時(shí)不會降解。事實(shí)證明，善于吸收陽光的材料在分水反應(yīng)所需的條件下往往是不穩(wěn)定的，而穩(wěn)定的材料往往對陽光的吸收能力差。這些相互沖突的要求促使你做出看似不可避免的權(quán)衡，但通過將多種材料--一種能有效吸收陽光的材料，如硅，和另一種能提供良好穩(wěn)定性的材料，如二氧化硅--結(jié)合到一個(gè)裝置中，這種沖突可以得到解決。"

然而，這又產(chǎn)生了另一個(gè)挑戰(zhàn)--在硅中吸收陽光所產(chǎn)生的電子和空穴必須能夠輕易地穿過二氧化硅層。這通常要求二氧化硅層不超過幾納米，這降低了其保護(hù)硅吸收器不被降解的有效性。

這一突破的關(guān)鍵是通過一種在厚厚的二氧化硅層中創(chuàng)造導(dǎo)電路徑的方法，這種方法可以在低成本下進(jìn)行，并可擴(kuò)展到大批量的生產(chǎn)。為了達(dá)到這個(gè)目的，Yu和他的團(tuán)隊(duì)使用了一種首先部署在半導(dǎo)體電子芯片制造中的技術(shù)。通過在二氧化硅層上涂上一層鋁薄膜，然后加熱整個(gè)結(jié)構(gòu)，形成了完全彌合二氧化硅層的納米級鋁"尖峰"陣列。然后這些可以很容易地被鎳或其他有助于催化分水反應(yīng)的材料所取代。

當(dāng)被陽光照射時(shí)，這些裝置可以有效地氧化水形成氧分子，同時(shí)也在一個(gè)單獨(dú)的電極上產(chǎn)生氫氣，并在長時(shí)間的操作下表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。由于制造這些裝置所采用的技術(shù)通常用于制造半導(dǎo)體電子產(chǎn)品，因此它們應(yīng)該很容易擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)。

上圖顯示了光陽極裝置的基本幾何形狀和功能

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提交了一份臨時(shí)專利申請，以使該技術(shù)商業(yè)化。

改進(jìn)氫氣的產(chǎn)生方式是其成為一種可行的燃料來源的關(guān)鍵。今天，大多數(shù)氫氣生產(chǎn)是通過加熱蒸汽和甲烷進(jìn)行的，但這嚴(yán)重依賴化石燃料并產(chǎn)生碳排放。

有一種對"綠色氫氣"的推動，它使用更環(huán)保的方法來產(chǎn)生氫氣。而簡化水分離反應(yīng)是這一努力的一個(gè)關(guān)鍵部分。

氫氣有可能成為一種重要的可再生資源，具有一些獨(dú)特的品質(zhì)。它已經(jīng)在重要的工業(yè)過程中發(fā)揮了重要作用，并開始在汽車工業(yè)中顯現(xiàn)出來。燃料電池在長途卡車運(yùn)輸中看起來很有前途，而氫氣技術(shù)可能是能源儲存的一個(gè)福音，它能夠在條件成熟時(shí)儲存多余的風(fēng)能和太陽能。

展望未來，該團(tuán)隊(duì)將致力于通過提高反應(yīng)速度來改善水分離的氧氣部分的效率。然后，研究人員的下一個(gè)主要挑戰(zhàn)是轉(zhuǎn)到方程式的另一半。

Yu說:"我們能夠首先解決反應(yīng)的氧氣部分，這是更具挑戰(zhàn)性的部分，但是你需要同時(shí)進(jìn)行氫氣和氧氣的進(jìn)化反應(yīng)來完全分裂水分子，所以這就是為什么我們的下一步是研究應(yīng)用這些想法來制造反應(yīng)的氫氣部分的裝置。"