近日，天津大學(xué)化工學(xué)院新能源化工團隊在無偏壓光電化學(xué)水分解制氫領(lǐng)域取得重要研究成果，該研究開發(fā)了一種高效、穩(wěn)定的半透明光電陽極器件，能顯著提升水氧化反應(yīng)速率，提高太陽能水分解制氫效率。相關(guān)論文發(fā)表在《自然—通訊》上。
隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻，太陽能作為清潔、可持續(xù)的能源來源，逐漸成為解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。但是太陽能存在間歇性的缺點。無偏壓太陽能水分解技術(shù)可以利用太陽能直接驅(qū)動水分子分解成氫氣和氧氣，這種方法能高效地將間歇性的太陽能轉(zhuǎn)化為可存儲的氫氣，因而被視為應(yīng)對能源危機與環(huán)境污染的潛在解決路徑之一。
然而，由于光電陽極水氧化反應(yīng)速率較慢，限制了整體水分解的效率，成為無偏壓太陽能水分解技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。面對此難題，天津大學(xué)化工學(xué)院新能源化工團隊研究開發(fā)了一種高效、穩(wěn)定的半透明光電陽極器件——半透明硫化銦光陽極。該器件獨特的透明特性，在顯著提升水氧化反應(yīng)速率的同時，還能允許部分陽光穿透到達光電陰極，減少太陽光的無效能量損耗，從而有效解決了金屬層的不透光效應(yīng)與光生電子跨界面?zhèn)鬏斦系K之間的矛盾。
實驗表明，得益于優(yōu)異的半透明特性，該器件在完全依靠陽光驅(qū)動的獨立系統(tǒng)中，實現(xiàn)了5.10%的太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)下該類系統(tǒng)最高紀錄。此前，采用硅基光電陰極與全無機光電陽極的無偏壓光電化學(xué)水分解系統(tǒng)，其太陽能-氫能轉(zhuǎn)換效率尚未突破5%大關(guān)。這一突破證明，純無機半透明光電陽極的串聯(lián)光電化學(xué)器件，在太陽能制氫領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。
據(jù)悉，該成果不僅為半透明光電陽極的設(shè)計提供了創(chuàng)新性解決方案，還為未來多組分串聯(lián)光電極的開發(fā)開辟了新的研究思路。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，更高效、更便宜、更耐用的“人工樹葉”有望出現(xiàn)。它們可能覆蓋在建筑物的外墻或屋頂上，甚至在沙漠中建立大型“陽光制氫站”。太陽能水分解技術(shù)有望在未來成為氫能生產(chǎn)的重要途徑，進一步推動清潔能源的廣泛應(yīng)用。這意味著我們未來開動的汽車、使用的能源將可能源自陽光和水的“人工光合作用”，真正實現(xiàn)綠色循環(huán)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60444-7
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-5394-0.html天大新成果助力“人工樹葉”研究
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