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析氢-使用新型低成本光电化学催化剂进行水分解

发表时间:2024-03-02 11:37

米斯特卡理工大学(UTM)的愿景:改进和提升研究

“光催化水是利用太阳能产生氢气以实现氢能储存的技术。氢气作为清洁能源使用的过程中,不排放温室气体或其他有害物质,唯一副产物是水,从而达到清洁且可持续能源循环的目的。”

‒Alexander Bondarchuk 博⼠,⽶斯特卡理工⼤学

在我们追求未来更清洁能源的过程中,有许多前进的道路,但如何存储间歇性的可再生能源已经成为人们关注的焦点。

氢能是备受关注的清洁能源,不过目前生产和运输氢的方法存在能源密集、成本过高、基础设施制约等问题。在这个背景下,太阳能制氢研究备受期待。

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挑战

催化材料成本高

传统的制氢催化材料包括铂、钯等其他铂族元素,价格昂贵、成本高。

催化材料操作难

在实际应用中,光催化剂比传统金属催化剂更难设计。光催化剂需要是一个有适当带隙边缘的半导体,以实现水的还原/氧化反应(理想情况下是需要大于1.23伏的本征催化剂)。并且该催化剂还需要能够在操作过程中耐受高酸性或碱性水溶液环境而不会失活。在考虑所有这些因素时,Bondarchuk博士必须找到一种不会过于昂贵的可行材料。

太阳能制氢的运行效率

当Dr. Bondarchuk发现种有潜力的催化材料后,紧接着他就着手对其进行进一步的市场可行性验证。在光催化制氢中,有一个粗略的指标,即光电转化效率(IPCE)和太阳能制氢效率(STHE)。

在光伏太阳能电池板中,能量转换效率(PCE)测量可以知道⼊射太阳光的能量。类似的,STHE 测量相关器件在暴露于已知光强下,我们也可以知道器件会以氢气的形式产生多少的能量。

但与 PCE 不同的是,STHE 只能通过昂贵且耗时的机械和工艺(例如色谱法或质谱法)直接测量,这是因为当系统暴露在已知或可控的⼊射光下时,可以轻松测量系统产⽣的电流。

然而,最重要的是光催化材料的可接受阈值,这个通常认为是 10% STHE 等效性能。与常规光伏器件相比,10%似乎很低。但是氢能的优势在于实用性,例如能够离网运输并存储,所以较低的效率不是问题。

据我们所知,目前既要满足以上所有要求,同时又要在商业上可以大规模生产氢气的低成本光电极还无法获得。现有的光电极制造起来很复杂,或者需要昂贵的材料,例如如铂或⾦,阻碍了⼤规模得⽣产和应⽤。”

-AlexanderBondarchuk 博⼠

解决⽅案

低成本半导体:氧化铁是太阳能制氢的未来吗?

在常见的催化剂中,铂族元素价格昂贵,难以满足新兴行业的大规模需求。钴合⾦等替代⾦属催化剂可能会在⾼导电性电解质中出现一些有问题的反应,例如最常⻅的氧化反应,但也可能发⽣其他络合反应,具体取决于电解质和电池中的其他固体成分。

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Pico 照亮用于氢分解的 PEC 系统的赤铁矿半电池。

此外,这些⾦属催化剂材料组都不具备光催化⽔分解时所需的半导体特性。目前,它们被用于在热或者电过程中生产氢气,这些过程严重依赖以化石燃料为基础的能源。

为此,Dr. Bondarchuk和他的团队发现了⼀种不起眼的材料……铁锈。更准确地称为⾚铁矿,它是⼀种铁氧化物,对化学侵蚀⾼度稳定,带隙为 1.9 ‒ 2.2 eV,具体取决于其相对结构。

虽然铁锈很便宜,但在基材上涂上纯⾚铁矿纳⽶级涂层仍然是⼀个相当密集的过程,并且验证⾚铁矿作为完整光电化学电池的光电极材料也会花费大量的人力物力。

能够改变世界的发现需要时间、知识和像研究人员一样具有前瞻性思维的科学仪器。

验证AAA级光源在实验室制氢

截至 2022 年,Dr. Bondarchuk 博士讲述了赤铁矿光电极的制造,当使用可逆氢电极 (RHE) 进行测量时,该光电极在 1.23V 电压下产生的光电流密度为 0.63 mA/cm^2。 这是使用G2V Pico 在多孔 SnO2 基底上生长的纯赤铁矿光电极模拟 AM1.5G 辐照(350 nm –1100 nm;79.1mW/cm^2)来完成的。

为了提⾼这些器件的性能,Dr. Bondarchuk开始在⾚铁矿表⾯涂层中加⼊助催化剂,不仅如此,他还致力于开发⾚铁矿和其他催化材料的完全异质结合以提⾼ STH 效率。

虽然由于氢分解的化学性质和催化材料的带隙,可以有效利用的能量是有限的,但当有像Pico这样的仪器可以支持这样的研究时,验证一个可以使用尽可能多的可用能量的器件要容易得多。为了支持Dr. Bondarchuk的工作,他需要对输出光谱进行更多的控制,这远远超出了传统太阳光模拟器的能力范围。

他需要一台性能超前的仪器来助力他的研究。

“[G2V Pico] 是太阳能材料领域研究的主要仪器之⼀。”

‒Alexander Bondarchuk 博⼠谈 G2V Pico

光化学测试的未来:软件可控、多变量模拟

Dr. Bondarchuk需要的正是 Pico 这样的可调 LED 太阳光模拟器,实现不同波段太阳光谱的如何影响催化材料反应速率的研究。同时,催化材料在环境阳光下的可靠性研究也是必不可少的,这也是Pico的特长所在。Bondarchuk通过软件让Pico执行24小时太阳光谱自动昼夜循环,以完成环境阳光条件的实验室考察。这让他的实验室对实验结果的准确性和可重复性充满了信心。

迈向清洁能源和清洁燃料驱动的未来

改善地球生态的目标取决于那些愿意迎接挑战、采用更清洁的方法为世界提供动力的人。像Dr. Bondarchuk这样的人,默默地迎接挑战,带着共同目标让世界变得更美好。他们在机构的支持下,发挥专业知识和解决问题的能力。研究人员及其机构在应对气候变化方面的积极反馈在越来越多的地方变得明显。现在是我们开始赞扬他们的努力,让这些世界改变者的名字家喻户晓的时候了。

G2V团队非常荣幸能够助力Dr. Bondarchuk 和斯特卡理工学为更清洁的明天而做的所有努力!


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