光電極通過(guò)分解水來(lái)產(chǎn)生氫氣。照片：丹尼斯·施羅德，NREL

　　來(lái)自美國能源部國家可再生能源實(shí)驗室(NREL)和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗室(Berkeley Lab)的科學(xué)家們?yōu)檠芯咳藛T提供了一份指南，指導他們如何衡量直接利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣的效率。

　　光電化學(xué)(PEC)水分解法，依靠陽(yáng)光將水分解成氧和氫元素，是潛在的最可持續的清潔能源途徑之一。然而，由于缺乏標準化的方法，不同的實(shí)驗室對同一系統的PEC過(guò)程效率的測量可能相差很大。發(fā)表在《能源研究前沿》上的實(shí)踐指南旨在為比較不同地點(diǎn)和不同群體獲得的結果提供參照。

　　隨著(zhù)研究人員繼續完善該技術(shù)，該出版物為PEC社區提供了路線(xiàn)圖。兩個(gè)實(shí)驗室通過(guò)使用相同的測試硬件、PEC光電電極和測量程序進(jìn)行循環(huán)測試，驗證了這些實(shí)踐。對光伏的研究已經(jīng)允許了電池效率的認證，但PEC的水分解效率測量還沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的協(xié)議。

　　NREL的高級科學(xué)家Todd Deutsch說(shuō)：“很難比較實(shí)驗室之間報告的PEC水分解效率結果，因為人們傾向于在不同的條件下進(jìn)行測量，"Todd Deutsch是新期刊文章的合著(zhù)者，“《PEC的實(shí)踐：如何可靠地測量光電陰極的太陽(yáng)能到氫的效率》。能源部早就意識到了這一點(diǎn)，所以我們已經(jīng)做了很多努力來(lái)建立標準，我們參與了多個(gè)實(shí)驗室的合作，也參與了NREL的實(shí)驗項目。"

　　“這篇協(xié)議論文的動(dòng)機是為剛剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究人員提供指導，同時(shí)為更有經(jīng)驗的科學(xué)家描述微妙的技術(shù)技巧，"伯克利實(shí)驗室的材料工作科學(xué)家、該期刊文章的合著(zhù)者弗朗西斯卡·托馬(Francesca Toma)說(shuō)?！拔覀兝昧藘蓚€(gè)跨越基礎科學(xué)到應用科學(xué)領(lǐng)域的國家實(shí)驗室的特別優(yōu)勢。"

　　這篇文章闡明了路徑，以便所有實(shí)驗室都能遵循一種統一的實(shí)驗實(shí)踐，從制造光電電極所需的材料開(kāi)始。作者繼續詳細介紹了制造過(guò)程、實(shí)驗設置和測量太陽(yáng)能轉氫(STH)效率的過(guò)程。研究人員指出，要準確描述STH效率，就需要直接測量PEC水分解產(chǎn)生的氫氣量。

PEC水分解過(guò)程示意圖

　　PEC水分解出現在1972年的科學(xué)出版物中。從那時(shí)起，研究人員不斷改進(jìn)和完善這一過(guò)程，但到目前為止，還沒(méi)有建立起標準化的STH測量程序。NREL在1998年創(chuàng )下了效率超過(guò)10%(達到了12.4%)的個(gè)記錄，但在2016年，在一份出版物中，描述了在進(jìn)行效率測量時(shí)要避免的常見(jiàn)陷阱，在意識到原始實(shí)驗被過(guò)度照明后，NREL向下修訂了這一數字。2017年，該團隊利用帶隙工程(Band Gap Engineering)設計了更優(yōu)化的吸光器，以充分利用太陽(yáng)光譜，最終產(chǎn)生了16.2%的STH，這在當時(shí)是一項新的世界紀錄。

　　美國能源部氫與燃料電池技術(shù)辦公室已將PEC水分解技術(shù)STH的最終目標定為25%，盡管初步成本分析表明，具有成本競爭力的氫能夠以較低的效率實(shí)現。光電電極的效率從10%到20%。

　　PEC的研究人員還在繼續致力于提高耐久性。用來(lái)捕捉陽(yáng)光的半導體被浸泡在水(水基)電解質(zhì)中。但由于電解液的pH值從酸性到堿性不等，電解液會(huì )腐蝕半導體，縮短其壽命。

　　“耐用性仍然是這項技術(shù)的一大要點(diǎn)，"Deutsch說(shuō)?！耙呀?jīng)取得了一些進(jìn)展，但遠遠不及最近在提高效率方面取得的進(jìn)展。"

　　Deutsch與他人合著(zhù)了一篇新論文，同樣發(fā)表在《能源研究前沿》上，題為“光電化學(xué)水分解的長(cháng)期穩定性指標"，文中描述了在清潔和可再生燃料發(fā)電中，實(shí)現同時(shí)高效穩定的無(wú)輔助PEC水分解是'圣杯'。這篇論文提供了一個(gè)進(jìn)行長(cháng)期穩定性實(shí)驗的框架，希望達到超高穩定性(持續時(shí)間超過(guò)10000小時(shí))和大于15%的效率。

　　作為能源材料網(wǎng)絡(luò )的一部分，美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的氫和燃料電池技術(shù)辦公室成立了氫先進(jìn)水分裂材料聯(lián)盟，資助了這項研究。

文章來(lái)源：全球氫能網(wǎng)

注：已獲得轉載權