太陽能提供廉價和可持續(xù)的氫能

美國密歇根大學通過自然光合現(xiàn)象模擬研發(fā)出一種新型的太陽能電池板，該電池板在將水轉(zhuǎn)化為氫氣（H2）和氧氣（O2）方面取得了9%的效率，比目前同類型的分離效率高近10倍，是技術(shù)的重大飛躍。

該技術(shù)通過減少設(shè)備中最昂貴的部分——半導體器件，大大降低了可持續(xù)氫能的成本，且該團隊研發(fā)的自愈半導體能承受相當于160個太陽光的集中光。

目前人類是利用化石燃料中的甲烷（CH4）來生產(chǎn)氫氣的，過程中消耗了大量的能源，而植物卻可利用陽光從水中獲取氫原子。當人類試圖減少碳排放時，氫氣作為一種獨立的燃料和來自二氧化碳（CO2）制成的可持續(xù)的燃料非常有吸引力。此外，許多化學過程如生產(chǎn)化肥等都需要氫氣。

密歇根大學的人工光合作用比自然光合作用效率更高，也為實現(xiàn)碳中和提供了途徑。

該研究突出的結(jié)果來自兩個進步：第一是集中陽光又不破壞半導體的能力，與一些僅在低光強度下工作的半導體相比，該研究將半導體尺寸縮小了很多；第二是利用太陽光譜中能量較高部分來分解水，較低部分來促進反應。這個奇跡是由一種半導體催化劑實現(xiàn)的，該催化劑除可改善自身外，還可抵抗在利用陽光驅(qū)動的化學反應中通常經(jīng)歷的降解。

除處理高強度的光外，該半導體還可在高溫下工作。高溫加速了水的分解，額外的熱量也促使氫和氧的分離，而不是重新形成新鍵和水，這兩者都幫助收獲更多的氫氣。

團隊設(shè)置了一個與房屋窗戶大小的室外透鏡，將陽光聚焦到只有幾英寸寬的實驗板上，實驗板上的半導體催化劑被一層水膜覆蓋，并隨著分離冒出氫氣和氧氣。

該催化劑由生長在硅表面的氮化銦鎵納米制成，半導體晶片將捕獲的光轉(zhuǎn)化為自由電子和空穴（當電子被光釋放時留下的帶正電的空隙）。納米結(jié)構(gòu)中布滿了直徑為1/2 000 mm的納米級金屬球，金屬球利用這些電子和空穴來幫助反應。

實驗板頂部一個簡單的絕緣層將溫度保持在75℃左右，足夠溫暖以促進反應，同時也足夠涼爽以使催化劑發(fā)揮良好作用。該實驗的戶外版本在陽光和溫度不太可靠的情況下，將太陽能轉(zhuǎn)化為氫燃料的效率達到了6.1%，室內(nèi)可達9%。

該團隊要應對的下一個挑戰(zhàn)是進一步提高效率并獲得可直接送入燃料電池的超高純度的氫。