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光催化分解水技术 可能比太阳能更环保

2013-11-18 16:13:54   点击:

导读: 光催化分解水是现在科学家研究的新方向,据了解光催化分解水可以比较太阳能更环保。之前也有类似的技术,可惜是成本太高了。现在经过更深入研究光催化分解水成本逐步开始下降了。

科学家宣称已经开发出一种低廉的设备可以利用光把水分解成氧气和洁净能源氢气。这个水分解器主体是一个包裹了超薄镍层的硅半导体,文章作者称该装置可以用于大规模的工业化生产洁净能源氢气,该文章发表在最新一期的 Science 上。该研究的主要目的是在太阳能电池无法工作时(没有太阳光或者光强度较弱)用氢能源电池代替其发电。

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“太阳能电池只有在有太阳时才能工作” 共同作者来自斯坦福大学的 Hongjie Dai 在接受采访时说:“在没有太阳时设备只能利用发电厂提供的利用传统的煤炭或者风能发的电。”现在我们提供了一个更加绿色环保的解决办法,在夜晚,阴天或者用电量过高的时候我们可以利用氢能电池来供电。

如何分解水

为了给燃料电池提供洁净氢气,科学家们转向了一种新兴技术——光催化分解水。两个半导体电极相互连通置于水槽两端。平常状态下,电极吸收光能并利用它将水分解成氢气和氧气。氧气直接释放到空气中。而当人们需要能量时,这个过程就会逆转,贮存的氢气与空气中得氧气组成能源电池发电并生成纯水。整个过程都是可持续的并且不会释放温室气体。不过寻找一种低廉的分解水的设备一直是个挑战。一直以来科学家们都在搜寻一个低廉的材料制造水分解器并且可以用于实际生产。

斯坦福科学家研制出低廉造价的光解水设备

硅材料

斯坦福大学研究生也是这篇发表在 Science 上文章的共同作者之一 Michael J. Kenney 在接受采访时表示:“硅材料一直以来被广泛应用于太阳能电池中,它也是最合适廉价材料,但是硅一旦与电解质溶液接触时就会发生降解。”

在2011年,另外一直斯坦福的科研团队为了克服硅材料这种缺陷给硅材料包裹了一层超薄的二氧化钛和铱。包裹下的硅材料连续工作8小时也没有发生腐蚀。

“这确实是一个让人兴奋得结果,但是要用到实际生产下必须保持足够长时候的稳定性。” Dai 说,“而且贵金属铱的价格也非常高,能够找到一种低廉的金属催化剂代替更为合适。”

为了寻找一种低廉的替代金属,Dai 建议 Kenney 和他的小伙伴们尝试给硅电极包裹一层普通的镍涂层看看。

“镍相当的耐腐蚀,” Kenney 说,“而且镍也是一种活性较高的氧生产反应的催化剂,再加上地球上镍的含量很丰富。种种条件都让镍具有很强的竞争力。”

镍纳米薄层

实验中,Dai 的研究团队给电极涂上了一个2纳米厚的薄层,并将它们放入硼酸钾溶液中。光照或者接通电源时,电极开始工作点解水,连续工作24小时都没有发现腐蚀。为了提供电池的性能,研究者在溶液中加入一点锂。加入锂后,电池连续工作80小时表面都没有任何腐蚀的迹象。

与之前的实验的相比,这个结果有了巨大的进步。Dai 说:“我们实验室研制出了一种持续时间最长的硅材料光电极。实验结果表明超薄镍层不仅可以让电极耐腐蚀还能作为催化剂,大大提高水分解的速率。““有趣的是 Thomas Edison 曾经说过,在电解质里加入少量的锂可以让镍电池的性能更好。多年以后我们的兴奋得发现,这同样可以让电解水的装置性能更好。”

科学家们打算进一步研究以增强镍涂层硅电极的稳定性和持久性。

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