【新视野】密歇根大学发明集中式光合作用装置有望带来廉价的绿色氢气

2023-01-12 19:31:24 来源：cnBeta

密歇根大学的研究人员展示了一种人工光合作用装置，其效率是以前同类装置的10倍的同时体积是以前的百分之一。这种绿色的氢气生产方法也会随着时间的推移而改进，并且可以分离海水。

(资料图)

地球是一个以太阳能为动力的星球；地球上生命所需的绝大部分能量来自于太阳--而其中的很多能量，包括食物和化石燃料都是基于植物的光合作用的结果--将阳光、水和二氧化碳转化为氧气和糖类。光合作用的第一个化学步骤发生在使叶子呈现绿色的叶绿素中--这个步骤实际上是一个将水分离的操作，将H2O分解成氧气，释放到空气中，以及带正电荷的氢离子，这些氢离子驱动着整个过程的其余部分，最终使植物能够以碳水化合物的形式储存能量。

进化在光合作用中提供了非凡的礼物，随着人类努力摆脱化石燃料的有害副作用，研究人员正在努力复制，甚至改进这第一步，希望开发出人工光合作用技术，一些人预测这将最终成为生产绿色氢气的最廉价方式，作为能源储存介质使用。

密歇根大学电气和计算机工程系教授Zetian Mi说："最终，我们相信人工光合作用设备将比自然光合作用更有效，这将提供一条通往碳中和的道路。"

Mi和他的团队刚刚在《自然》杂志上发表了一篇论文，他们认为这是人工光合作用的一个重大飞跃。该团队展示了一种新的光催化分水半导体，它利用包括红外光谱在内的广泛的太阳光，以9%的效率分水--比其他同类设备几乎提高了10倍--而且它是一个微小的、相对实惠的设备，能随着时间的推移而改进而不是退化。

该装置使用一个窗口大小的透镜来集中阳光进行测试Brenda Ahearn/密歇根大学

"与一些只在低光强度下工作的半导体相比，我们将半导体的尺寸缩小了100多倍，"电气和计算机工程的研究员、该研究的第一作者周鹏说。"由我们的技术生产的氢气可能非常便宜"。

这项由麻省理工学院的独立半导体团队发明的新技术使用集中的太阳光--这是许多其他人工光合作用装置所没有的选择，因为高强度的光和高温往往会导致它们分解，但是一种由生长在硅表面的氮化镓铟纳米结构制成--不仅能极好地承受光和热，它实际上随着时间的推移提高了氢气生产效率。

由生长在硅表面的氮化镓铟纳米结构制成的光催化剂表现出自愈特性，可以承受相当于160个太阳的集中阳光照射

其他系统的目的是避免发热，而这个装置却依赖于发热。半导体吸收较高频率的光，为其分水过程提供动力，它被放置在一个有水流过的腔室内。较低频率的红外光被用来将腔体加热到大约70°C（158°F），这加速了分水反应，同时也抑制了氢分子和氧分子在被单独收集之前重新结合成水分子的趋势。

在使用纯净水的理想化实验室测试中，该设备达到了9%的效率，如果使用市政自来水，可以达到约7%。而在模拟大规模光催化水分离系统的户外测试中，由变化广泛的自然阳光供电，它的效率为6.2%。

这些光催化效率数字落后于我们报道过的一些光电化学设备，如澳大利亚国立大学的电池为17.6%，或莫纳什大学的设备为破纪录的22%。但是这些设备由于其性质而显得更加昂贵，它们使用光伏电池为电化学分水提供动力；美国能源部对氢气生产的最终技术目标是，光电化学系统的效率为25%，双床光催化系统的效率为10%--根据2011年的计算，这两种方法的氢气成本约为2.10美元/公斤（2.2磅）。

该团队表示，当暴露在强烈的阳光和高温下时，该设备的独特半导体会得到改善，而不是退化。

也许最令人兴奋的是，密歇根大学设备对自来水的7%的效率数字在分离海水时也是如此。淡水远不是一种无限的资源；它在许多地区已经严重短缺，而且人们普遍预计它在未来几十年将变得更加稀少和珍贵。因此，一种能够从海水中提取氢气而不需要除阳光以外的任何外部能量输入的光催化装置可能是脱碳时代的一个真正的游戏规则改变者。

该团队表示，它正在努力提高进一步研究的效率，以及所产生的氢气的纯度，但这里开发的部分知识产权已经被授权给密歇根大学的衍生公司NS Nanotech和NX Fuels。

"我们使用的材料，"Mi说，"氮化镓和硅，也可以大规模生产，我们可以利用目前的基础设施，在未来进行低成本的绿色制氢。"

一如既往，决定这一设备命运的将是商业可行性。绿色氢气必须具有成本竞争力，不仅与使用甲烷气体生产的肮脏氢气相比，还要与廉价的化石燃料本身相比，如果它要在规模上发挥作用。这种方法确实依赖于一些稀有金属，如镓和铟，但由于所需的半导体尺寸很小，这里的成本冲击就大大降低了。我们期待着看到它在工业应用中的表现。

这项研究发表在《自然》杂志上。

关键词：密歇根大学麻省理工学院知识产权