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来自 生命科学 2020-03-17 04:56 的文章
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js金沙国际高效太阳能燃料设备可存储近5%太阳能

德国研究人员已经在开发高成本效益及高效率太阳能燃料设备方面取得一项突破,该设备可以氢气的形式存储将近5%的太阳能。

德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员联合组成的科研小组,成功研发出一种价格低廉的利用太阳能进行电解水制氢的方法,相关成果发表在近日出版的《自然通讯》杂志上。

人工光合作用,即利用光照将水分离为氢气和氧气的过程,可以使得太阳能以氢气的形式存储。氢气可直接用作燃料,或者以甲烷的形式,或者是用燃料电池发电。

科学家们开发的这套系统可以通过太阳光将水分解成氢气和氧气,这使得太阳能可以被转换成氢能并存储起来。亥姆霍兹柏林材料与能源中心太阳能燃料研究所主任罗尔范德克罗尔教授说:我们结合了两方面的最佳之处。我们利用了化学的稳定性和金属氧化物的低廉价格,将其与一个很好但相当简单的薄膜硅太阳能电池结合,从而得到一个便宜、非常稳定和高效的单元。

亥姆霍兹柏林中心(HZB)与荷兰代尔夫特理工大学 (TU Delft) 的科学家们合作开发了这款设备,他们采用简单的光伏电池片以及金属氧化物钒酸铋制成的光阳极,成功以氢气的形式存储近5%的太阳能。

当光线射入这个相对简单的具有金属氧化物层的硅薄膜电池时,系统会产生一个电压。金属氧化物层起光阳极的作用,成为氧形成的地方。它通过一个石墨导电桥连接到太阳能电池单元。由于只有金属氧化物层接触到电解液,所以太阳能电池单元的其他部分不会受到腐蚀。铂金线圈则被用作阴极,这是氢气形成的地方。粗略计算可以表明这种技术具有的潜力:以德国每平方米大约600瓦的太阳光能来算,100平方米这样系统可以在一个小时的日照下分离生成3千瓦时以氢气形式存储的能量。

光阳极BiVO4中增加了少量的钨原子,喷射至一片导电玻璃上,并镀上了一层价格低廉的钴有机磷酸盐。

科学家们系统研究了不同的金属氧化物在从光入射到电荷分离,直至水分解的过程中的作用,以便进一步优化这一过程。德克罗尔说,理论上钒酸铋光阳极效率最高可达9%。通过用一种廉价的磷酸钴催化剂,科学家们显著地加快了光阳极上氧的生成。研究中最大的挑战是钒酸铋层电荷高效的分离。尽管金属氧化物稳定并且便宜,但带电粒子会趋于迅速重组,使得分解水的过程失效。德克洛尔和他的同事通过研究发现,在钒酸铋层里加入额外的钨原子是有帮助的。这些钨原子产生的内部电场可以很好地防止重组的发生。

亥姆霍兹柏林中心太阳能燃料研究院的负责人Roel van de Krol表示,基本上而言,我们实现了两全其美。我们先用一种化学性质稳定且低成本的金属氧化物加上一种硅基薄膜太阳能电池,然后,我们就创造出了一种高成本效益、高稳定性且高效的太阳能燃料设备。

系统中最重要的光阳极是用添加了钨原子的金属氧化物钒酸铋(BiVO4)制成,并用廉价的钴磷酸盐催化剂喷涂和包覆。为了实现这一目标,科学家将含铋、钒、钨的溶液喷射到热玻璃基板上,然后将溶剂蒸发。通过多次喷涂不同浓度的溶液,得到了一个厚度约300纳米的高效光活性金属氧化物层。德克罗尔说:我们仍然不是很了解为什么钒酸铋工作得非常好。但我们发现,超过80%的被吸收的光子得到了利用,这实在是一个创纪录的金属氧化物,也是物理学的奇迹。下一个挑战是按比例将这样的系统扩展到平方米大小,从而使它们可以生成更多的氢气。

此类研究的潜能极大。以德国为例,研究人员称,太阳能发电性能为每平方米600瓦,那么理论上而言,光照一小时,此类100平方米的系统可以氢气的形式存储3kWh的电能。随后这些电能可以在夜间或者需要的时候使用。

更趋简约的设计

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