分类
莱斯大学新闻

水分解模块是永久能源的来源

“人造叶子”的概念启发了莱斯大学对太阳能燃料生产的研究

莱斯大学的研究人员已经发明了一种高效、低成本的装置,可以将水分解成氢燃料。

该平台由水稻材料科学家Jun Lou布朗工程学院实验室开发,集成了催化电极和钙钛矿太阳能电池,当阳光触发时,产生电力。电流流向催化剂,将水转化为氢和氧,太阳能转化为氢的效率高达6.7%。

这种催化反应并不新鲜,但实验室将钙钛矿层和电极封装成一个单独的模块,当放入水中并置于阳光下时,无需进一步的输入就能产生氢气。

A schematic and electron microscope cross-section show the structure of an integrated, solar-powered catalyst to split water into hydrogen fuel and oxygen. The module developed at Rice University can be immersed into water directly to produce fuel when exposed to sunlight. (Credit: Illustration by Jia Liang/Rice University)

原理图和电子显微镜横断面显示了一个集成的太阳能催化剂的结构,该催化剂将水分解为氢燃料和氧。莱斯大学开发的模块在阳光下可以直接浸入水中生产燃料。贾亮插画

该平台由主要作者、莱斯博士后研究员贾亮和他们的同事在美国化学学会期刊ACS Nano上介绍,他们说,该平台是一个自给自足的燃料生产商,应该可以简单地批量生产。

“这一概念与人工叶子大体相似,”卢说。“我们拥有的是一个集成模块,它能将阳光转化为电能,驱动电化学反应。它利用水和阳光来获取化学燃料。”

钙钛矿是一种具有立方晶格的晶体,可以吸收光。迄今为止,最有效率的钙钛矿太阳能电池的效率达到了25%以上,但这种材料很昂贵,而且容易受到光、湿度和热量的影响。

“Jia已经用碳等替代物取代了钙钛矿太阳能电池中更昂贵的成分,比如铂,”卢说。“这降低了商业采用的准入门槛。像这样的集成设备很有前途,因为它们创造了一个可持续的系统。这并不需要任何外部电源来保持模块运行。”

梁说,关键的成分可能不是钙钛矿,而是包裹它的聚合物,保护模块并允许长时间浸没。他说:“其他人已经开发出一种催化系统,可以将水外的太阳能电池与浸入水中的电极用电线连接起来。”“我们用Surlyn(聚合物)薄膜封装钙钛矿层,从而简化了系统。”

梁说,这种有图案的薄膜可以让阳光到达太阳能电池,同时保护太阳能电池,并在电池和电极之间起到绝缘体的作用。

“有了一个巧妙的系统设计,你就有可能形成一个自我维持的循环,”卢说。“即使在没有阳光的情况下,你也可以利用储存的化学燃料。你可以把氢和氧的产物放在不同的容器里,再把另一个模块,比如燃料电池,整合起来,把这些燃料转化为电能。”

研究人员表示,他们将继续改进封装技术以及太阳能电池本身,以提高模块的效率。

这篇论文的共同作者是前赖斯访问学生肖涵,现在是中国西安西北工业大学副教授,和邱云秀,现在是圣路易斯华盛顿大学的研究生;水稻研究生方奇一、张博宇;现任清华大学助理教授、莱斯大学校友王维鹏;水稻博士后研究员张静;还有普利克尔·阿加扬,赖斯材料科学和纳米工程学院的院长,本杰明·m·和玛丽·格林伍德·安德森工程学教授和化学教授。卢是材料科学、纳米工程和化学的教授。

这项研究是由Peter M.和Ruth L. Nicholas博士后研究员资助的,他们来自Rice的Smalley-Curl研究所、Welch基金会、国家科学基金会支持的纳米系统工程研究中心(纳米技术水处理)和中国中央大学的基础研究基金。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.rice.edu/2020/05/04/water-splitting-module-a-source-of-perpetual-energy-2/