AIST提升光電極電解製氫轉化效率

據fuelcellwork網站報道
，日本國家先進工業科技研究院（AIST）能源技術研究所下的太陽能轉化研究組開發出一種高效複層氧化物半導體光電極，將其雙層疊放用於光電解水反應中可達到1.35%的太陽能轉化效率，約為之前報道的氧化物光電極效率的2倍
，並大大降低了電解水製氫的電壓需求。

最新研發的高性能光電極（右）在碳酸鹽電解質中的光電解製氫反應。氫氣泡在對電極（左）表麵產生

為(wei)實(shi)現(xian)減(jian)少(shao)碳(tan)排(pai)放(fang)和(he)最(zui)終(zhong)不(bu)依(yi)賴(lai)化(hua)石(shi)資(zi)源(yuan)的(de)可(ke)持(chi)續(xu)發(fa)展(zhan)社(she)會(hui)，可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)的(de)有(you)效(xiao)利(li)用(yong)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。太(tai)陽(yang)能(neng)作(zuo)為(wei)最(zui)豐(feng)富(fu)的(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)


，其(qi)轉(zhuan)化(hua)技(ji)術(shu)卻(que)還(hai)不(bu)足(zu)以(yi)投(tou)諸(zhu)實(shi)用(yong)。其(qi)中(zhong)一(yi)種(zhong)太(tai)陽(yang)能(neng)製(zhi)氫(qing)技(ji)術(shu)是(shi)使(shi)用(yong)可(ke)簡(jian)單(dan)製(zhi)備(bei)的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)作(zuo)為(wei)光(guang)電(dian)極(ji)來(lai)實(shi)現(xian)光(guang)裂(lie)解(jie)水(shui)，其(qi)成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)，目(mu)前(qian)作(zuo)為(wei)未(wei)來(lai)氫(qing)能(neng)社(she)會(hui)的(de)基(ji)礎(chu)研(yan)究(jiu)而(er)被(bei)深(shen)入(ru)地(di)探(tan)索(suo)。如(ru)果(guo)開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)種(zhong)同(tong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)一(yi)樣(yang)高(gao)效(xiao)，且(qie)如(ru)同(tong)作(zuo)物(wu)栽(zai)培(pei)一(yi)樣(yang)廉(lian)價(jia)而(er)簡(jian)便(bian)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)製(zhi)氫(qing)係(xi)統(tong)，那(na)將(jiang)有(you)力(li)地(di)解(jie)決(jue)世(shi)界(jie)能(neng)源(yuan)問(wen)題(ti)。

多種太陽能轉化技術的比較

AIST長期致力於水分解製氫的多種氧化物半導體多孔光電極的研發。水電解所需的理論電位為1.23V，而由於裝置中的過電位的作用，實際上電解電位比1.6V還要高。光電極的使用可以降低供電設備的電壓需求（本研究中的供電電壓僅為0.7 V），因(yin)而(er)使(shi)低(di)成(cheng)本(ben)製(zhi)氫(qing)成(cheng)為(wei)可(ke)能(neng)。在(zai)研(yan)發(fa)的(de)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)單(dan)晶(jing)態(tai)的(de)和(he)高(gao)溫(wen)燒(shao)結(jie)的(de)二(er)氧(yang)化(hua)鈦(tai)都(dou)隻(zhi)能(neng)轉(zhuan)化(hua)紫(zi)外(wai)光(guang)波(bo)段(duan)的(de)光(guang)能(neng)。之(zhi)後(hou)歐(ou)洲(zhou)大(da)部(bu)分(fen)機(ji)構(gou)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)了(le)能(neng)轉(zhuan)化(hua)可(ke)見(jian)光(guang)的(de)多(duo)孔(kong)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)（氧化鎢WO₃和氧化鐵Fe₂O₃）。該氧化物半導體多為n型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)，適(shi)用(yong)於(yu)析(xi)氧(yang)電(dian)極(ji)。氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)薄(bo)膜(mo)可(ke)通(tong)過(guo)濕(shi)法(fa)塗(tu)覆(fu)於(yu)導(dao)電(dian)基(ji)體(ti)上(shang)

，且(qie)能(neng)在(zai)空(kong)氣(qi)中(zhong)直(zhi)接(jie)燒(shao)結(jie)成(cheng)成(cheng)品(pin)
，因(yin)此(ci)很(hen)容(rong)易(yi)製(zhi)備(bei)大(da)麵(mian)積(ji)薄(bo)膜(mo)。然(ran)而(er)至(zhi)今(jin)報(bao)道(dao)的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)光(guang)電(dian)極(ji)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)氫(qing)能(neng)轉(zhuan)化(hua)率(lv)很(hen)低(di)（僅用氧化物為0.69%，負載貴金屬鉑為1.1%）。

下圖展示了n型半導體（如二氧化鈦）guangzhidianjieshuideyuanli。guangdianjiyiciyufuzhudianyuanjiduidianjixianglian，dangguangbeibandaotiguangdianjixishou

，jiadianzidaizhongdedianzijieyuedaochuandaodai，jiguangjifa。chuandaodaizhongdedianzitongguofuzhudianyuanchuandaozhiduidianji，zaiqibiaomianchanshengqingqi。guangdianzidegaonengliangjinxudiyuchangguishuidianjiedefuzhudianyajiunengwanchengdianjie。jifachuguangshengdianzihoujiadaishengxiadaizhengdiandekongxue，nengqingyidecongqitawuzhiduoqudianzi
，jijiangqitawuzhiyanghua，yinerketongguoyanghuashuifangchuyangqi。

半導體光電極電解水反應原理圖

通過光電極的作用，水可以在較低的電壓下被電解。那麼提高光電極的性能並建立一套光伏電池-光電極電解係統
，就可以代替單純靠光伏電池驅動的電解係統。如果所有波長在500nm或者600nm的光都被轉化利用於光電解反應，輔助電源的電壓需求可降至接近0，那麼理論太陽能轉化效率可分別達8%或15%。單純結合光伏電池與電解槽的係統轉化效率
，可以通過簡單的光電極和更少的光伏電池來達到
，如下圖。

使用半導體光電極電解水製氫的優勢

本次AISTyanjiudeyanghuawuguangdianjiyousancengbutongdebandaotibocenggoucheng，dianjiezhiqingdedianjiezhiweigaonongdutansuanyandianjiezhi。xiatugeichuleguangdianjideguangxuezhaopianhedianzixianweixingmaoxiang。guangdianjiyousancengbutongdebandaotibocenghedaodianbolijitijinmiduidiegoucheng：氧化鎢（WO₃）為第一層
，氧化錫（SnO₂)為第二層，釩酸鉍（BiVO₄）為第三層。每一層都通過旋轉塗膜工藝將含金屬離子的溶液塗覆於基體表麵並燒結成多孔薄膜。當光投射到BiVO₄的一側，BiVO₄主要吸收波長高至520nm的可見光
，WO₃層將光生電子高效的傳導出去，SnO₂層則減少表麵光生電子與空穴再複合的電流損失。

光電極照片（左）與電子顯微形貌像（右）

下圖展示了該氧化物光電極的伏安特性曲線。當在高濃度碳酸鹽電解質中使用這種三合一光電極裂解水時，太陽能轉化效率為0.85%。兩塊該光電極疊放來進一步吸收太陽光時可將轉化效率提高到1.35%
，這zhe是shi目mu前qian世shi界jie上shang非fei貴gui金jin屬shu光guang電dian極ji能neng達da到dao的de最zui高gao的de的de轉zhuan化hua效xiao率lv，幾ji乎hu是shi先xian前qian報bao導dao最zui高gao值zhi的de兩liang倍bei。這zhe種zhong光guang電dian極ji的de使shi用yong可ke將jiang水shui電dian解jie的de電dian壓ya需xu求qiu降jiang低di40%，有望實現低成本電解製氫。

光電極的伏安特性曲線。水電解反應可以在更低的外部電壓下進行。

weijinyibutigaoguangdianjidetaiyangnengzhuanhuaxiaolv，youbiyaozaijinyibujianshaofuzhudianyuandianyaxuqiudetongshizengjiaguangshengdianliu。jinhoujiangzaiyixiafangmianjinyibukaifabandaoticailiao：對更長波長可見光的充分利用、更低的導帶能量
、更geng高gao的de光guang電dian子zi與yu空kong穴xue分fen離li效xiao率lv。為wei達da到dao這zhe個ge目mu標biao，研yan究jiu者zhe們men已yi經jing建jian立li起qi一yi套tao機ji器qi人ren係xi統tong，自zi動dong在zai大da量liang的de材cai料liao及ji其qi組zu合he中zhong探tan索suo有you潛qian力li的de半ban導dao體ti及ji其qi組zu合he複fu合he方fang式shi。通tong過guo該gai係xi統tong的de快kuai速su篩shai選xuan，研yan究jiu者zhe們men有you望wang找zhao到dao能neng提ti高gao太tai陽yang能neng轉zhuan化hua效xiao率lv的de新xin材cai料liao以yi及ji新xin的de光guang電dian極ji製zhi備bei工gong藝yi。另ling外wai，高gao濃nong度du碳tan酸suan鹽yan電dian解jie質zhi中zhong，碳tan酸suan根gen離li子zi被bei認ren為wei作zuo為wei參can與yu氧yang化hua還hai原yuan循xun環huan的de催cui化hua劑ji來lai加jia速su水shui電dian解jie反fan應ying。研yan究jiu者zhe們men也ye對dui這zhe種zhong機ji製zhi進jin行xing研yan究jiu和he解jie釋shi
，以yi促cu進jin水shui電dian解jie係xi統tong效xiao率lv的de進jin一yi步bu提ti升sheng。