太阳能提供廉价和可持续的氢能

美国密歇根大学通过自然光合现象模拟研发出一种新型的太阳能电池板，该电池板在将水转化为氢气（H2）和氧气（O2）方面取得了9%的效率，比目前同类型的分离效率高近10倍，是技术的重大飞跃。

该技术通过减少设备中最昂贵的部分——半导体器件，大大降低了可持续氢能的成本，且该团队研发的自愈半导体能承受相当于160个太阳光的集中光。

目前人类是利用化石燃料中的甲烷（CH4）来生产氢气的，过程中消耗了大量的能源，而植物却可利用阳光从水中获取氢原子。当人类试图减少碳排放时，氢气作为一种独立的燃料和来自二氧化碳（CO2）制成的可持续的燃料非常有吸引力。此外，许多化学过程如生产化肥等都需要氢气。

密歇根大学的人工光合作用比自然光合作用效率更高，也为实现碳中和提供了途径。

该研究突出的结果来自两个进步：第一是集中阳光又不破坏半导体的能力，与一些仅在低光强度下工作的半导体相比，该研究将半导体尺寸缩小了很多；第二是利用太阳光谱中能量较高部分来分解水，较低部分来促进反应。这个奇迹是由一种半导体催化剂实现的，该催化剂除可改善自身外，还可抵抗在利用阳光驱动的化学反应中通常经历的降解。

除处理高强度的光外，该半导体还可在高温下工作。高温加速了水的分解，额外的热量也促使氢和氧的分离，而不是重新形成新键和水，这两者都帮助收获更多的氢气。

团队设置了一个与房屋窗户大小的室外透镜，将阳光聚焦到只有几英寸宽的实验板上，实验板上的半导体催化剂被一层水膜覆盖，并随着分离冒出氢气和氧气。

该催化剂由生长在硅表面的氮化铟镓纳米制成，半导体晶片将捕获的光转化为自由电子和空穴（当电子被光释放时留下的带正电的空隙）。纳米结构中布满了直径为1/2 000 mm的纳米级金属球，金属球利用这些电子和空穴来帮助反应。

实验板顶部一个简单的绝缘层将温度保持在75℃左右，足够温暖以促进反应，同时也足够凉爽以使催化剂发挥良好作用。该实验的户外版本在阳光和温度不太可靠的情况下，将太阳能转化为氢燃料的效率达到了6.1%，室内可达9%。

该团队要应对的下一个挑战是进一步提高效率并获得可直接送入燃料电池的超高纯度的氢。