一个完全由太阳能驱动，能够从氛围中网络水并提供氢气燃料的装置几十年来一直是研究人员的梦想。现在，EPFL化学工程师Kevin Sivula和他的团队在使这一假想接近现实方面迈出了告急一步。他们开辟了一个巧妙而简朴的系统，将基于半导体的技能与具有两个关键特性的新型电极相联合：它们是多孔的，以最大限度地与氛围中的水打仗；而且是透明的，以最大限度地使半导体涂层在阳光下暴露。
当该装置简朴地暴露在阳光下时，它从氛围中获取水分并产生氢气。该结果于2023年1月4日发表在《先辈质料》上。
该技能的革新之处在于新型气体扩散电极是透明的、多孔的和导电的，使这种以太阳能为动力的技能能够将水 - 来自氛围中的气体状态变成氢燃料。
"为了实现一个可连续发展的社会，我们必要有办法将可再生能源储存为可以作为燃料和工业质料的化学品。太阳能是最丰富的可再生能源情势，我们正在积极开辟具有经济竞争力的方法来生产太阳能燃料，"EPFL光电纳米质料分子工程实验室的西武拉说，他是这项研究的主要研究者。
凯文-西武拉在他的实验室。资料来源：Alain Herzog/EPFL
来自植物叶片的灵感
在研究人员对可再生无化石燃料的研究中，EPFL的工程师与丰田汽车欧洲公司互助，从植物能够利用氛围中的二氧化碳将太阳光转化为化学能的方式中获得灵感。植物从其环境中收获二氧化碳和水，并在阳光的额外能量的推动下，将这些分子转化为糖和淀粉，这一过程被称为光互助用。阳光的能量以化学键的情势储存在糖和淀粉的内部。
由Sivula和他的团队开辟的透明气体扩散电极，当涂上光网络半导体质料时，非常像一片人造叶子，从氛围和阳光中网络水以产生氢气。阳光的能量以氢键的情势被储存起来。但这种装置的基底不是用传统的对阳光不透明的层来构建电极，而是现实上是一个由毛毡玻璃纤维构成的3维网。
这项工作的主要作者Marina Caretti说："开辟我们的原型装备是具有挑战性的，因为透明的气体扩散电极从前没有被证明过，我们必须为每个步骤开辟新的步伐。然而，由于每个步骤都相对简朴且可扩展，我以为我们的方法将为广泛的应用打开新的视野，从用于太阳能驱动的氢气生产的气体扩散基板开始。"
从液态水到氛围中的湿度
Sivula和其他研究小组先前已经表明，通过使用一种被称为光电化学（PEC）电池的装置从液态水和阳光中产生氢燃料，有大概进行人工光互助用。一样平常来说，PEC电池是一种利用入射光刺激浸在液体溶液中的光敏质料（如半导体）来引起化学反应的装置。但就现实用途而言，这一过程有其缺点，比方，制造使用液体的大面积PEC装置很复杂。
Sivula想表明，PEC技能可以改用于网络氛围中的湿度，从而导致他们开辟了新的气体扩散电极。电化学电池（比方燃料电池）已经被证明可以用气体而不是液体来工作，但是之前使用的气体扩散电极是不透明的，与太阳能供电的PEC技能不兼容。
现在，研究人员正将他们的积极会集在优化该系统上。理想的纤维尺寸是多少？理想的孔径巨细？理想的半导体和膜质料是什么？这些都是欧盟项目"Sun-to-X"正在研究的题目，该项目致力于推进这项技能，并开辟将氢气转化为液体燃料的新方法。
制作透明的气体扩散电极
为了制造透明的气体扩散电极，研究人员从一种玻璃棉开始，它是一种石英（也称为氧化硅）纤维，并通过在高温下将纤维熔合在一起，将其加工成毡片。接下来，晶片被涂上一层透明的掺氟氧化锡薄膜，这种薄膜以其出色的导电性、坚固性和易于扩展而闻名。这些最初的步骤产生了一个透明、多孔和导电的晶圆，这对于最大限度地打仗氛围中的水分子和让光子通过至关告急。然后，晶圆再次被涂层，这次是一层吸取阳光的半导体质料的薄膜。这第二层薄涂层仍旧让光通过，但由于多孔基质的大表面积而显得不透明。就像现在如许，一旦暴露在阳光下，这种涂层的晶圆已经可以生产氢燃料。
科学家们继承建造了一个包含涂层晶片的小室，以及一个用于分离产生的氢气以进行测量的薄膜。当他们的小室在湿润的条件下暴露在阳光下时就会产生氢气，实现了科学家们设定的目标，显示出用于太阳能驱动的氢气生产的透明气体扩散电极的概念是可以实现的。
固然科学家们在他们的演示中没有正式研究太阳能到氢气的转换效率，但他们认可，对于这个原型来说效率相对不高，现在还不如在基于液体的PEC电池中实现得更好。基于所使用的质料，涂层硅片的最大理论太阳能-氢气转换效率为12%，而液体电池的效率已被证明高达19%。 |
