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幾十年來(lái)，世界各地的研究人員一直在尋找利用太陽(yáng)能制氫的關(guān)鍵反應(yīng)方法，即如何將水分子分解為氫和氧。雖然大部分努力以失敗告終，少數(shù)結(jié)果也面臨成本過(guò)高的尷尬。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一個(gè)研究小組仍然設(shè)法找到了一種低成本的“半”解決方案。
在最近發(fā)表在《自然通訊》期刊上的一篇文章中，學(xué)校的研究人員找到了一種利用陽(yáng)光有效地將氧分子與水分離的方法。
早在1970年代，研究人員就已經(jīng)提出了利用太陽(yáng)能生產(chǎn)氫氣的可能性。然而，由于無(wú)法找到有效催化的特殊材料，這種方法長(zhǎng)期以來(lái)一直沒(méi)有普及。
光電陽(yáng)極的幾何結(jié)構(gòu)和功能示意
科克雷爾工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Edward Yu 說(shuō)：“你需要有效地吸收太陽(yáng)能，同時(shí)確保材料在水解反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)降解?！?/span>
事實(shí)證明，在水分解反應(yīng)所需的條件下，善于吸收陽(yáng)光的材料往往不夠穩(wěn)定，穩(wěn)定的材料往往對(duì)陽(yáng)光的吸收能力較差。
研究圖一：金屬-絕緣體-半導(dǎo)體光陽(yáng)極示意圖
這些矛盾使得研究人員不得不在很多方面做出妥協(xié)。但是通過(guò)將多種材料組合到一個(gè)設(shè)備中，可以有效地解決這種沖突。
在這種情況下，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了一種可以有效吸收太陽(yáng)能的材料（如硅），輔以另一種穩(wěn)定性更好的材料（如二氧化硅）。
研究圖片 2：Al 尖峰后電阻變化
在實(shí)踐中，這帶來(lái)了另一個(gè)挑戰(zhàn)——要在硅中吸收太陽(yáng)能產(chǎn)生的電子和空穴，它必須能夠輕松穿過(guò)二氧化硅層。
一方面，這意味著層厚度不超過(guò)幾納米。另一方面，它會(huì)降低其保護(hù)硅吸收劑免于降解的有效性。
研究圖 3：Ni 電沉積的表征
好消息是，研究團(tuán)隊(duì)找到了一種方法，可以通過(guò)厚二氧化硅層創(chuàng)建導(dǎo)電路徑。新的解決方案可以低成本使用并擴(kuò)展到大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程。
為此，Edward Yu 和他的團(tuán)隊(duì)率先將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體電子芯片制造工藝中。
二氧化硅層涂有鋁薄膜，然后整個(gè)結(jié)構(gòu)用于形成鋁“尖峰”陣列，完全橋接二氧化硅層。然后它可以很容易地被鎳或其他有助于催化水分解的材料所取代。
當(dāng)暴露在陽(yáng)光下時(shí)，這些設(shè)備可以有效地使水形成氧分子，同時(shí)在單獨(dú)的電極上產(chǎn)生氫氣，并在長(zhǎng)期運(yùn)行中表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。
研究圖5：不同模型的電位分布模擬
更好的是，由于用于制造這些器件的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體電子產(chǎn)品的制造，因此新器件的批量生產(chǎn)也將相當(dāng)容易擴(kuò)大。
目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提交了臨時(shí)專利申請(qǐng)，希望盡快將該技術(shù)商業(yè)化。
研究圖片 6：尖峰 Ni / SiO2 / P+n-Si 光電極的 PEM 表征和模擬
這項(xiàng)研究的詳細(xì)信息已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
