纳米新技术让光制氢效率提高两倍

利用光催化剂在光解水池中将水直接裂解为氢气和氧气，被认为是获取氢能的重要方法之一。美国斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹课题组设计出一种钙钛矿太阳能电池驱动的光解水复合体系，可使光解水制氢的转化效率达到6.2%，是利用普通方法转化效率的三倍。相关研究成果发表在近日出版的《科学进展》杂志上。

该研究主要负责人丘勇才、陈维博士接受科技日报记者采访时表示，光解水可视为一种人工光合作用，即利用光催化剂在光解水池中将水直接裂解为氢气和氧气。然而，光解水制氢长期面临转化效率低、光催化剂稳定性差等难题，利用普通的光解水化学池来分解水的效率仅约2%。

为提升光到氢燃料的转化效率，该课题组设计出一种全新的光催化剂纳米结构的电极，将光解水性能优越的钼掺杂的矾酸铋薄膜沉积于导电的纳米锥阵列上，从而使得基于纳米锥阵列的光解水电极具有较大的性能提升。

陈维介绍说，对比于传统的光解水电极的平面结构，纳米锥阵列结构的电极具有更好的光利用、电荷收集和限光特性。不仅如此，基于纳米锥阵列的光解水池在一天中的不同时间段都会有很好的光利用效果。

此外，为了使该性能大幅提升的光解水池能够在不需要外加电源的条件下独立工作，他们设计了一种利用太阳能电池来直接驱动光解水池的复合体系。该复合体系的太阳能电池是由目前已知的性能最为优越的钙钛矿材料组成。钙钛矿太阳能电池在吸收太阳光后输出的电可直接用来驱动光解水池分解水，从而使得光至氢的转化效率达到6.2%。

未来，利用该钙钛矿太阳能电池光解水池的复合体系，光到氢的能源转换效率有望提升到新高度，从而为获取绿色氢能源提供一个重要途径。

据介绍，论文的通讯作者为清华大学和中科院苏州纳米所双聘教授、国家“千人计划”特聘专家张跃钢研究员和斯坦福大学崔屹教授，该研究还得到清华大学范守善院士的支持。