串联提升太阳能水解

科学家将两种很有前途的光催化剂结合起来，在水分解电池中获得更高的太阳能到氢气的转换效率和耐久性

作为一种可行的清洁替代能源，氢气一直是工业界和学术界关注的焦点。氢实际上是取之不尽的，当用于产生能量时，只会产生水蒸气。然而，要实现真正的生态友好型氢社会，我们首先需要能够清洁地大规模生产氢气。

一种方法是使用光催化剂通过“人工光合作用”分解水，利用太阳能从水中产生氧气和氢气。然而，可用的光催化剂尚未达到使太阳能水分解经济可行和可扩展的需要。要实现这一目标，需要解决两个主要问题：太阳能-氢气 (STH) 转换效率低和光电化学水分解电池的耐久性不足。

在日本名古屋工业大学，Masashi Kato 和他的同事一直致力于通过探索新材料及其组合并深入了解其性能背后的物理化学机制，从而将光催化剂提升到一个新的水平。在他们发表在《太阳能材料和太阳能电池》上的最新研究中，Kato和他的团队现在设法通过将 TiO₂ 和 p 型立方 (3C-SiC)（两种很有前途的光催化剂材料）组合成串联结构，使用于高度耐用和高效的水分解电池。上图显示了半透明 TiO2 光阳极如何让 SiC 光阴极利用透射光。使用具有不同能隙的光催化剂可提高转换效率。

该团队在研究中探索的串联结构将光催化剂材料串联起来，半透明的 TiO₂ 作为光阳极和 3C-SiC 作为光阴极。由于每种材料在不同频段吸收太阳能，因此串联结构可以通过允许更多的入射光激发电荷载流子并产生必要的电流来显著提高水分解电池的转换效率。

该团队测量了施加的外部电压和 pH 值对电池中产生的光电流的影响，然后在不同的光强度下进行了水分解实验。他们还测量了产生的氧气和氢气的数量。结果非常令人鼓舞，正如 Kato 所说：“应用偏置光子对电流效率的最大测量值是0.74%。这个值，加上观察到的大约 100 天的耐用性，使我们的水分解系统成为目前可用的最佳系统之一。 .”此外，这项研究的结果暗示了所提出的串联结构所观察到的性能背后的一些潜在机制。

需要进一步研究以继续改进光电化学水分解系统，直到它们被广泛应用。尽管如此，这项研究显然是迈向清洁未来的一步。 “我们的贡献将加速人工光合作用技术的发展，这将直接从太阳光中产生能源。因此，我们的发现可能有助于实现可持续社会，”Kato说。

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