水+太陽(yáng)=氫！全球首個(gè)雙層太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)原型公布
來(lái)源：ofweek 氫能網(wǎng) 2020-01-13
以色列理工學(xué)院(Israel Institute of Technology，簡(jiǎn)稱Technion)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種僅使用太陽(yáng)能就可以高效、安全生產(chǎn)氫氣的原型系統(tǒng)，這是世界上第一個(gè)利用太陽(yáng)能在兩個(gè)不同的層面將水分解成氫和氧的系統(tǒng)。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《焦耳》雜志上，由Grand Technion能源計(jì)劃的博士生Avigail Landman和材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究生Rawan Halabi共同領(lǐng)導(dǎo)。這項(xiàng)研究是在化學(xué)工程學(xué)院的Gideon Grader教授、材料科學(xué)與工程學(xué)院的Avner Rothschild教授、葡萄牙波爾圖大學(xué)的Adelio Mendes教授和Paula Dias博士的共同指導(dǎo)下進(jìn)行的。
這個(gè)創(chuàng)新系統(tǒng)包含一個(gè)串聯(lián)太陽(yáng)能電池裝置，使其更有效地利用光譜。一些太陽(yáng)輻射被上層吸收，上層是由半透明的氧化鐵構(gòu)成的。沒(méi)有被這一層吸收的輻射通過(guò)它，隨后被光伏電池吸收。這兩層系統(tǒng)一起提供分解水所需的能量。
從理論到應(yīng)用
該創(chuàng)新系統(tǒng)是Technion研究團(tuán)隊(duì)在2017年3月發(fā)表于《自然材料》雜志上的一篇文章中所提出的理論突破的延續(xù)。在那篇文章中，研究人員介紹了氫氣生產(chǎn)的一個(gè)典型轉(zhuǎn)變：不再是一個(gè)生產(chǎn)單元，水被分解成氫和氧，研究人員開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)，氫和氧在兩個(gè)完全不同的單元中形成。這一進(jìn)展之所以重要，部分原因在于氧和氫的混合物會(huì)產(chǎn)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。研究人員證明了在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)電源的可行性。
現(xiàn)在，在《焦耳》發(fā)表的最新研究中，研究人員展示了該理論在應(yīng)用開發(fā)中的實(shí)現(xiàn)——一個(gè)光電化學(xué)原型系統(tǒng)，它僅利用陽(yáng)光在兩個(gè)獨(dú)立的電池單元中產(chǎn)生氫和氧。作為實(shí)驗(yàn)的一部分，進(jìn)行了大約80個(gè)工作小時(shí)(10天，每天約8小時(shí))，證明了該系統(tǒng)在自然光照下的效率。
背景
在我們生活的許多領(lǐng)域，氫是一種非常受歡迎的材料。今天產(chǎn)生的大部分氫被用來(lái)制造氨，用于生產(chǎn)對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)至關(guān)重要的化肥。此外，氫是主要的替代燃料來(lái)源之一，特別是在交通領(lǐng)域。在運(yùn)輸方面，與礦物燃料相比氫有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
它可以使用太陽(yáng)能等綠色能源從水中產(chǎn)生，從而減少對(duì)礦物燃料的依賴；氫可以儲(chǔ)存可再生能源，例如太陽(yáng)能和風(fēng)能，這些能源并非全天都可用；與排放大量空氣污染的柴油和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的唯一副產(chǎn)物是水。
今天，世界上大部分的氫是由天然氣生產(chǎn)的。但是，隨著這個(gè)過(guò)程而來(lái)的是二氧化碳的排放，其對(duì)環(huán)境的破壞是眾所周知的。另一種生產(chǎn)方法是電解水(H2O)得到氫(H2)和氧(O2)。雖然電解過(guò)程早在200多年前就被發(fā)現(xiàn)了，但至今尚未開發(fā)出突破性的電解技術(shù)。近年來(lái)，隨著向替代能源轉(zhuǎn)變的重要性與日俱增，電解過(guò)程的改進(jìn)正變得越來(lái)越重要。
在這樣的背景下，光電化學(xué)過(guò)程得以發(fā)展，它利用陽(yáng)光輻射直接分解水。盡管如此，也存在各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，使用傳統(tǒng)的電解方法生產(chǎn)氫——在同一生產(chǎn)單元中將水分解成氫和氧——存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闅浜脱醯慕佑|會(huì)導(dǎo)致爆炸。此外，在大規(guī)模的太陽(yáng)能領(lǐng)域，在這種配置下很難產(chǎn)生氫氣。因此，《焦耳》中介紹了當(dāng)前技術(shù)突破的重要性。
研究人員希望學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界能夠繼續(xù)推進(jìn)這一系統(tǒng)，并最終實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化。
這項(xiàng)研究得到了南茜和斯蒂芬·格蘭德西尼昂能源項(xiàng)目(GTEP)的支持，資金來(lái)自美國(guó)捐助者埃德·薩特爾、阿德利斯基金會(huì)、能源部和歐洲委員會(huì)(ERC的兩筆贈(zèng)款)以及國(guó)家科學(xué)基金會(huì)帕特卓越中心。
