NREL：太陽(yáng)能水分解制氫技術(shù)實(shí)踐指南

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(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的科學(xué)家們?yōu)檠芯咳藛T提供了一份指南，指導(dǎo)他們?nèi)绾魏饬恐苯永锰?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(xù)的清潔能源途徑之一。然而，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的方法，不同的實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一系統(tǒng)的PEC過(guò)程效率的測(cè)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(jié)果提供參照。

　　隨著研究人員繼續(xù)完善該技術(shù)，該出版物為PEC社區(qū)提供了路線圖。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)使用相同的測(cè)試硬件、PEC光電電極和測(cè)量程序進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，驗(yàn)證了這些實(shí)踐。對(duì)光伏的研究已經(jīng)允許了電池效率的認(rèn)證，但PEC的水分解效率測(cè)量還沒(méi)有一個(gè)被廣泛接受的協(xié)議。

　　NREL的高級(jí)科學(xué)家Todd Deutsch說(shuō)：“很難比較實(shí)驗(yàn)室之間報(bào)告的PEC水分解效率結(jié)果，因?yàn)槿藗儍A向于在不同的條件下進(jìn)行測(cè)量，"Todd Deutsch是新期刊文章的合著者，“《PEC的實(shí)踐：如何可靠地測(cè)量光電陰極的太陽(yáng)能到氫的效率》。能源部早就意識(shí)到了這一點(diǎn)，所以我們已經(jīng)做了很多努力來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)，我們參與了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的合作，也參與了NREL的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。"

　　“這篇協(xié)議論文的動(dòng)機(jī)是為剛剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究人員提供指導(dǎo)，同時(shí)為更有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家描述微妙的技術(shù)技巧，"伯克利實(shí)驗(yàn)室的材料工作科學(xué)家、該期刊文章的合著者弗朗西斯卡·托馬(Francesca Toma)說(shuō)。“我們利用了兩個(gè)跨越基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的特別優(yōu)勢(shì)。"

　　這篇文章闡明了路徑，以便所有實(shí)驗(yàn)室都能遵循一種統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，從制造光電電極所需的材料開(kāi)始。作者繼續(xù)詳細(xì)介紹了制造過(guò)程、實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測(cè)量太陽(yáng)能轉(zhuǎn)氫(STH)效率的過(guò)程。研究人員指出，要準(zhǔn)確描述STH效率，就需要直接測(cè)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)化的STH測(cè)量程序。NREL在1998年創(chuàng)下了效率超過(guò)10%(達(dá)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(cè)量時(shí)要避免的常見(jiàn)陷阱，在意識(shí)到原始實(shí)驗(yàn)被過(guò)度照明后，NREL向下修訂了這一數(shù)字。2017年，該團(tuán)隊(duì)利用帶隙工程(Band Gap Engineering)設(shè)計(jì)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(dāng)時(shí)是一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。

　　美國(guó)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(biāo)定為25%，盡管初步成本分析表明，具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的氫能夠以較低的效率實(shí)現(xiàn)。光電電極的效率從10%到20%。

　　PEC的研究人員還在繼續(xù)致力于提高耐久性。用來(lái)捕捉陽(yáng)光的半導(dǎo)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(dǎo)體，縮短其壽命。

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

　　Deutsch與他人合著了一篇新論文，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(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)"，文中描述了在清潔和可再生燃料發(fā)電中，實(shí)現(xiàn)同時(shí)高效穩(wěn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的框架，希望達(dá)到超高穩(wěn)定性(持續(xù)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(guó)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(xiàng)研究。

文章來(lái)源：全球氫能網(wǎng)

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