聚焦「太陽能水解造氫技術」

光吸收材料和含水電解質之間界面的藝術渲染。 圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

當美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家Tadashi Ogitsu在2017年第一次駕駛一輛氫燃料電池車時，他意識到了他的日常出行將會發生徹底的改變。因為他駕駛的這輛車只會排放少量的水蒸氣而不會排放任何溫室氣體。

氫燃料電池汽車的市場正在不停的擴大。根據來自加利福尼亞能源委員會和加州空氣資源委員會最近的一份報告，該州現在的氫燃料站數目已經達到了31個。

當然現在所面臨的挑戰是如何使降低氫燃料成本和提高其續航性。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）量子模擬組的科學家Ogitsu說：「氫氣可以通過很多種方法生產，但是最「神聖」的方法則是利用水和陽光來生產。 他還是美國hydrogen先進的水解材料協會指導委員會成員，該協會由美國能源部（DOE）能源材料網路實驗室領導。協會致力於通過先進的高低溫電解以及光電化學和太陽能熱化學工藝從水中分解出氫氣，並且由美國能源部能源效率和可再生能源辦公室（EERE）的燃料電池技術辦公室來負責提供技術支持。

太陽能水解制氫技術所面臨的障礙之一是水解設備的穩定性問題。 在光電化學（PEC）制氫過程中，吸收光的半導體器件是直接被浸入電解質水溶液中的。 一個問題是許多有效的光吸收材料，例如硅和磷化銦在PEC操作條件下通常是不穩定的。 這主要是由於材料的固/液界面處的化學反應可能會導致材料氧化和降解。

勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家聯合聖母大學的同行，綜合實驗和理論分析得出了一條可以用來解釋固/液界面上的化學反應的理論。 該理論可用於解釋PEC產氫時磷化鎵（GaP）和磷化銦（InP）表面形成的氧化物形成的機理，這是控制這些材料化學性質的第一步。 這項研究成果發表在雜誌「Journal of Physical Chemistry Letters」的1月4日頭版。

論文作者Ogitsu，Brandon Wood和第一作者Tuan Anh Pham利用LLNL的高性能計算機來模擬在水介質和光吸收器界面處可能發生化學反應的物質種類。然後採用第一性原理計算方法通過光譜來表徵這些物質。

聖母大學的研究人員使用最先進的X射線光電子能譜實驗驗證了上述計算結果。 論文的作者除了對固/液界面的化學反應機理做出了詳細的分析外，還探討了操作過程中化學反應是如何影響吸光半導體器件的穩定性。例如，他們發現InP表面附近的氫離子活動能力性比GaP的更強，這促進了其表面缺陷的自我修復，從而提高了InP的耐腐蝕性。

Pham說：「隨著計算和實驗方法的迅速發展，我們能夠以前所未有的方式結合兩者進行科學研究。這為理解非常複雜的界面化學反應過程提供了一種全新的研究思路，要知道，這種複雜界面反應機理探索是無法通過單方面的科學研究來實現的。我們所做的工作就是為研究能源技術中這些類型界面反應作引導。

文章來自phys，原文題目為：Looking to the sun to create hydrogen fuel，由材料科技在線匯總整理。

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