科技日報記者 劉霞

韓國蔚山國立科學技術(shù)研究院團隊開發(fā)出一款新型光電化學制氫系統(tǒng)。新系統(tǒng)利用太陽能和甘蔗廢料中的糠醛協(xié)同制氫，降低了制氫過程中的二氧化碳排放量，且效率為美國能源部設(shè)定商業(yè)化基準的四倍。相關(guān)論文發(fā)表于新一期《自然·通訊》雜志。

作為備受矚目的下一代清潔燃料，氫氣燃燒時不會產(chǎn)生溫室氣體，且能量密度可達汽油的2.7倍。但目前大部分制氫工藝使用天然氣，這一過程會排放大量二氧化碳。在最新研究中，團隊另辟蹊徑，利用從甘蔗廢料中提取的糠醛來制氫，因而不產(chǎn)生二氧化碳排放。

最新系統(tǒng)創(chuàng)造性地構(gòu)建了“雙引擎”產(chǎn)氫機制：糠醛在銅電極上被氧化產(chǎn)生氫氣，殘留物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品糠酸。硅光電極上，水也被分解產(chǎn)生氫氣。與傳統(tǒng)光電化學系統(tǒng)相比，這種協(xié)同效應(yīng)使理論產(chǎn)氫的效率大幅提升，實測性能達1.4毫摩爾/（平方厘米·小時），幾乎為美國能源部設(shè)定標準0.36毫摩爾/（平方厘米·小時）的四倍。

當光電極吸收陽光并產(chǎn)生電子時，制氫過程就開始了。晶體硅光電極可以產(chǎn)生大量電子促進氫氣生產(chǎn)。然而，0.6伏的低工作電壓使其難以在沒有外部電源的情況下啟動制氫反應(yīng)。為此，團隊在電極上引入糠醛的氧化反應(yīng)，平衡系統(tǒng)電壓，解決了這一難題。

這一方法實現(xiàn)了無外接電源制氫，保留了晶體硅光電極的高光電流密度，促進了制氫效率。此外，該系統(tǒng)采用交叉背接觸結(jié)構(gòu)，最大限度地降低了光電極內(nèi)的電壓損耗。鎳箔-玻璃復(fù)合封裝結(jié)構(gòu)也確保了電極的長效穩(wěn)定。

這項突破大幅提升了太陽能制氫的經(jīng)濟可行性，為抗衡化石燃料制氫提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。