加州理工學院開發出「人工葉子」安全製造出氫燃料

太陽能再突破 美科學家找到「人工葉子」最後拼圖

受到植物光合作用的啟發,加州理工學院開發出一種導電氧化鎳薄膜,可以將光線轉換成裂解水,安全地製造出氫燃料。

植物的光合作用機制將陽光、水和二氧化碳轉換成氧和碳水化合物。人工光合作用系統則複製這樣的機制。

用氧化鎳薄膜作為矽等半導體材料的保護膜,能改善甲烷、氫等太陽能燃料的製造過程。

「這種新薄膜可以讓太陽能燃料的製造過程更有效率、穩定、安全,不會產生容易爆炸的氫氧混和物。」研究作者、加州理工學院化學系特聘教授Nate Lewis說。

氧化鎳薄膜讓人工光合作用系統──又叫太陽能燃料發電機或「人工葉子」──的發展,往前邁進一大步。

找到合適材料 人工葉子有譜了

Lewis團隊開發的人工光合作用系統有3個主要元件:兩個電極、光電陽極和光電陰極、一個塑膠膜。

光電陽極利用陽光氧化水分子,產生氧氣,質子和電子,光電陰極則重新結合質子和電子,形成氫氣;而塑膠膜將兩種氣體隔開,避免產生爆炸,並在壓力下收集氣體,使之安全地進入導管。

但過去類似的嘗試都因為不同原因失敗了。

「薄膜的條件非常嚴苛,必須與其保護的半導體相容、不透水、可導電、高透光度,以及具有高度催化性,以產生氧氣和燃料。達成以上任何一個條件都是一種突破,但我們選用的材料具備所有條件。」Lewis說。

研究團隊發現,氧化鎳薄膜可和許多半導體材料相容,包括矽、磷化銦和碲化鎘。當應用於光電陰極,氧化鎳薄膜的效能就可超越過去嘗試的其他材料。

要量產 還有段距離

不過Lewis也強調,人工光合作用技術距離量產還很遙遠,光電陰極等元件也還有進步空間。

「我們的團隊同時也在開發新的光電陰極,試著將這些元件結合在一起形成可運作的系統。這不容易,但我們已經找到過去半個世紀所找不到的拼圖。」Lewis說。

這篇研究「以透明催化氧化鎳薄膜包覆之光電極進行太陽能驅動氧化」於3月9日發表於當周國家科學院院刊線上版。One Step Closer to Artificial Leaves That Convert Water to FuelPASADENA, California, April 1, 2015 (ENS)

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