德国与荷兰科学家联合开发利用太阳能电解水制氢技术

德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心(HZB)与荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员联合组成的科研团队，成功研发出一种利用太阳能进行电解水制氢的廉价方法，相关成果发表在近日出版的《自然·通讯》杂志上。

科学家们开发的这套系统可以通过太阳光将水分解成氢气和氧气，这使得太阳能可以被转换成氢能并存储起来。HZB太阳能燃料研究所主任罗尔·范·德克罗尔教授说：“我们结合了两方面的最佳之处。我们利用了金属氧化物的化学稳定性和低廉的价格，将其与一个很好但相当简单的薄膜硅太阳电池结合，从而得到一个便宜、非常稳定和高效的（水解氢气的）组件。”

当光线射入这个相对简单的具有金属氧化物层的硅薄膜电池时，系统会产生一个电压。金属氧化物层起光负极的作用，成为氧形成的地方，它通过一个石墨导电桥连接到太阳电池组件。由于只有金属氧化物层接触到电解液，所以太阳电池组件的其他部分不会受到腐蚀。铂金线圈则被用作正极，这是氢气形成的地方。粗略计算这种技术具有的潜力：以德国每平方米大约600瓦的太阳光能来计算，100平方米这样的系统可以在一个小时的日照下分离生成3千瓦时以氢气形式存储的能量。

科学家们系统研究了在从光入射到电荷分离、直至水分解的过程中，不同的金属氧化物所起的作用，以便进一步优化这一过程。德克罗尔说，理论上钒酸铋(BiVO4)光负极的效率最高可达9%。通过使用一种廉价的磷酸钴催化剂，科学家们显著地加快了光负极上氧的生成。研究中最大的挑战是钒酸铋层电荷高效的分离。尽管金属氧化物稳定并且便宜，但带电粒子会趋于迅速重组，使得分解水的过程失效。德克罗尔和他的同事通过研究发现，在钒酸铋层里加入额外的钨原子是有帮助的，这些钨原子产生的内部电场可以很好地防止重组的发生。

系统中最重要的光负极是由添加了钨原子的金属氧化物钒酸铋制成，并用廉价的钴磷酸盐催化剂喷涂和包覆。为了实现这一目标，科学家将含铋、钒、钨的溶液喷射到热玻璃基板上，然后将溶剂蒸发。通过多次喷涂不同浓度的溶液，得到了一个厚度约300纳米的高效光活性金属氧化物层。德克罗尔说：“我们仍然不是很了解为什么钒酸铋工作得非常好。但我们发现，超过80%的被吸收的光子得到了利用，这实在是一个创纪录的金属氧化物，也是物理学的奇迹。下一个挑战是按比例将这样的系统扩展到平方米大小，从而使它们可以生成更多的氢气。”