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新方法让太阳能水解制氢更加廉价高效  

2014-07-04 16:13:30|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newcy/newxny/2014/0704/24570.html

太阳能电池的低转化率一直困扰着科学家们,而瑞士的研究人员找到了一种低成本制作光电化学电池的方法,这种新型电池大幅提高了光的转化率,并将光能最终转化成氢气——一种绿色能源。

 


图片来源GUILLAUME SOUVANT / AFP  
 
虽然太阳一小时提供的能量就足够人们用一年,但是太阳能在全球使用的能量中只占区区1%。很多研究人员都致力于制造能更高效地将太阳光转化成电能的电池。不过,有些研究者在尝试把太阳能转化成燃料,他们使用的是所谓的光电化学电池(photoelectrochemical cells,下文简称PEC电池)。可惜,PEC电池的制作工艺大多很复杂,转化效率也很低。不过,瑞士联邦材料科学与技术研究所(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology)的FlorentBoudoire和Artur Braun认为,他们已经找到了改进制造工艺的方法。
 
Boudoire先生和Braun博士感兴趣的这种PEC电池可将光能用于水的电解,产物则是氢气和氧气。他们首先用光电极把光能转化成电能,之后再将其用于电解水,最终就生成了氢气和氧气。
 
这种PEC电池使用三氧化二铁(Fe2O3)和氧化钨(WO3)来捕获光能。其中,Fe2O3吸收可见光而WO3吸收紫外光。除此之外,WO3还拥有很高的折射率。这就是说,一旦进入WO3内部,光线就会在其中来回反射,很难逃出来,这种内反射现象增加了光线被吸收的几率。因此,二者联用可以吸收多达35%的入射光。
 
因此,理论上这种电池前景不错。不过,人们发现这个方法并不实际,因为Fe2O3导电性能不佳,除非把它做成很薄的一层薄膜。而如果做成薄膜,又无法吸收足够的光能来电解水了。
 
一种办法是使用平版印刷技术(lithography)提高电池吸收光的能力。该技术可以塑造电池各组分的形状,同时也给电池涂上改变其电性能的物质。不过,这种方法成本高昂。所以Boudoire先生和Braun博士要寻找一种低成本的方法。
 
他们在一篇即将发表在《能源与环境科学》杂志(Energy & Environmental Science,IF:11.653)上的论文中描述了这种方法:首先制备直径几百个纳米的WO3小球,之后涂上薄薄的一层Fe2O3。这种结构不仅能使内反射最大化现象,同时反射光还能在两种物质的界面处被Fe2O3吸收。关键的是,研究人员已经找到了低成本的制造方法。
 
首先,将钨酸铵溶液与聚合物混合生成乳浊液,其中每个聚合物小液滴中都含有钨酸铵。将其喷涂在一层玻璃上后干燥。接下来,在玻璃置于炉子中加热,以烧掉其中的聚合物,这样小液滴就会转化成氧化钨小球。最后,将硝酸铁溶液喷涂在制成的氧化钨小球上,再次焙烧就可以在小球外层生成氧化铁。
 
这种PEC电池的光吸收能力,以及将光能转化成电能的能力都很好,并且该法容易大规模进行。也就是说,这种方法制备的PEC电池有可能工业化。接下来生成的氢气可以当做燃料出售,可以就地储存,到晚上用来发电。
 
意外地是,实验结束后研究人员发现,大自然早就这么做过了。他们制造具备球形光线捕获器的电池,其微观结构与蛾类眼睛的结构很像。后者眼中也有微小的可以吸收光线的小球,蛾类进化出这样的眼部结构是为了在黑暗中尽量多得捕获光线,同时尽量不反射光线,避免被捕食者发现。在某种程度上讲,日光之下无新事。(作者:《经济学人》  翻译:张哲    审校:黄安娜  易逸度)
 
原文链接:
http://www.economist.com/news/science-and-technology/21605868-how-gather-more-light-solar-power-tiny-balls-fire
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