解密：“人造葉子”如何生產(chǎn)綠色氫氣

 綠色氫市場(chǎng)像火箭一樣迅速發(fā)展，這主要得益于低成本的風(fēng)能和太陽能。然而，研究人員并沒有滿足于他們的成就。模仿自然界高效產(chǎn)氫系統(tǒng)的競(jìng)賽正在進(jìn)行，也就是人工光合作用。這是一條漫長的道路，但“人造葉子”的夢(mèng)想終于開始成形。

通往綠色氫的眾多道路

需要明確的是，化石能源仍然主導(dǎo)著全球氫氣市場(chǎng)。但這不會(huì)持續(xù)太久。替代能源正在涌入市場(chǎng)，其中最主要的是電解水。

到目前為止，大多數(shù)可持續(xù)的氫氣活動(dòng)都集中在電解上，在電解過程中，可再生能源產(chǎn)生電流，從水中分離出氫氣。

這是在可持續(xù)發(fā)展的階梯上邁出的一大步。然而，電解確實(shí)需要將可再生資源轉(zhuǎn)化為電能。隨著大量其他用戶涌入該領(lǐng)域，氫氣的利益相關(guān)者將不得不擠進(jìn)風(fēng)能和太陽能的競(jìng)爭(zhēng)中。

其中一種方法是提高電解系統(tǒng)的效率。然而，隨著氣候危機(jī)的惡化，將風(fēng)能和太陽能資源用于其他用途的壓力將繼續(xù)存在。

另一種緩解壓力的方法是開發(fā)可再生氫的替代途徑，例如從有機(jī)物或工業(yè)廢料中提取氣體。

人造光合作用系統(tǒng)將為替代綠色氫氣工具包增加一個(gè)強(qiáng)大的新工具，部分原因是它可以為阻礙太陽能發(fā)展的選址問題提供一個(gè)變通辦法。

例如，劍橋大學(xué)的一個(gè)研究小組正準(zhǔn)備將一種低成本、耐用的人造樹葉推向市場(chǎng)。他們的裝置可以漂浮在運(yùn)河和其他水體上，作為太陽能電池板的一種節(jié)約土地的替代方案。

什么是人造葉子？

2011年，當(dāng)我們注意到哈佛大學(xué)教授Daniel Nocera在研究一種低成本、太陽能驅(qū)動(dòng)、可持續(xù)的氫氣系統(tǒng)時(shí)，人工樹葉的想法首次出現(xiàn)在人們的視野中。這種氫系統(tǒng)可以縮小規(guī)模，用于離網(wǎng)社區(qū)的家庭使用。

從那時(shí)起，水電解法幾乎吸引了所有媒體的關(guān)注，但人造葉子的研究仍在默默的快速發(fā)展。

人造葉子背后的基本想法聽起來很簡單。你只需要制造一個(gè)特殊的太陽能電池，叫做光電化學(xué)電池，把它浸在水基溶液中，暴露在陽光下，從而重現(xiàn)類似自然光合作用的化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)不同的研究路線，光化學(xué)電池包括兩個(gè)子集，其中一個(gè)能夠直接用于太陽能制氫。

為什么是人造葉子？

不管怎樣，我們都有理由問，如果我們已經(jīng)有了水電解，為什么還要麻煩地用光電化學(xué)系統(tǒng)生產(chǎn)綠色氫氣呢？

人工樹葉的研究人員指出，電解系統(tǒng)的效率只是綠色氫眾多難題的一部分。另一個(gè)是能源投入的效率。與太陽能電池發(fā)電相比，人工樹葉發(fā)電的效率要高得多。

普渡大學(xué)的研究人員尤利婭·普什卡(Yulia Pushkar)在去年的新聞發(fā)布會(huì)上總結(jié)了這一點(diǎn)，她說人工光合作用“沒有基本的物理限制”。

“你可以很容易地想象一個(gè)效率為60%的系統(tǒng)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)在自然光合作用方面有了先例。如果我們野心勃勃，甚至可以設(shè)想一個(gè)效率高達(dá)80%的系統(tǒng)。”

相比之下，太陽能電池的平均轉(zhuǎn)換效率仍然在20%的范圍內(nèi)。專門的高效率版本可能會(huì)有更高的轉(zhuǎn)換率，但也比普及的類型貴得多。

用于綠色氫氣的人造樹葉

光電化學(xué)制氫技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好進(jìn)入市場(chǎng)。研究人員知道如何復(fù)制光合作用中的反應(yīng)，但持久性一直是一個(gè)障礙。他們還沒有弄清楚大自然母親是如何讓這一過程長時(shí)間運(yùn)行的。

目前的主要問題是用于光電化學(xué)電池的半導(dǎo)體會(huì)被水基溶液腐蝕。能源部預(yù)計(jì)耐久性問題是可以解決的。

該機(jī)構(gòu)在其網(wǎng)站上解釋說：“PEC(光電化學(xué))水解是一種很有前途的太陽能轉(zhuǎn)化氫的途徑，它提供了在低操作溫度下使用具有成本效益的薄膜或粒子半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的潛力。”同時(shí)指出，“為了市場(chǎng)可行性，仍需要繼續(xù)提高效率、耐久性和成本。”

為了推動(dòng)這一進(jìn)程，美國能源部提出了一套由國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Renewable Energy Laboratory)和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory)聯(lián)合開發(fā)的最佳做法。該指南最近發(fā)表在《能源研究前沿》雜志上，標(biāo)題為“PEC的最佳實(shí)踐：如何可靠地測(cè)量光電陰極的太陽能到氫的效率”。

由NREL提供的光電化學(xué)系統(tǒng)

NREL在上周的一份新聞稿中解釋說：“這篇文章闡明了路徑，這樣所有的實(shí)驗(yàn)室都可以從制造光電電極所需的材料開始，遵循統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。”

綠色氫不會(huì)等待“人造葉子”

如果你想知道為什么水電解技術(shù)發(fā)展得如此迅速，而直接的太陽能制氫技術(shù)還在等待它的特寫鏡頭，這是一個(gè)很好的問題。

部分答案可能在于它們的歷史。電解水是一項(xiàng)有幾百年歷史的技術(shù)，其起源可以追溯到1789年。電解水在其他應(yīng)用中有很多微調(diào)的機(jī)會(huì)，包括在國際空間站生產(chǎn)氧氣。在太陽能電池和風(fēng)力渦輪機(jī)開始為全球經(jīng)濟(jì)提供動(dòng)力之前，作為一種氫氣生產(chǎn)途徑看上去并沒有什么實(shí)際意義。

相比之下，NREL指出“人造葉子”是一個(gè)相對(duì)較新的技術(shù)。根據(jù)該實(shí)驗(yàn)室的說法，直到1972年，光電化學(xué)水解的描述才出現(xiàn)在科學(xué)出版物上。

科隆大學(xué)的光電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

NREL把自己作為一個(gè)很好的例子，說明需要在一個(gè)新的研究領(lǐng)域建立標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐。1998年NREL報(bào)告稱，它創(chuàng)造了12.4%的太陽能制氫效率記錄，使其成為第一個(gè)突破10%門檻的研究機(jī)構(gòu)。然而，在2016年，該實(shí)驗(yàn)室在確定實(shí)驗(yàn)被過度照明后，不得不將這個(gè)數(shù)字做了向下修正。

憑借更先進(jìn)的工具，NREL的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在2017年創(chuàng)造了16.2%的太陽能到氫轉(zhuǎn)換效率的新紀(jì)錄。這幾乎已經(jīng)可以達(dá)到目的。能源部的目標(biāo)是將效率提高到25%，但NREL的一項(xiàng)分析表明，太陽能制氫系統(tǒng)在不達(dá)到這一目標(biāo)的情況下仍具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

與此同時(shí)，電解水確實(shí)像火箭一樣飛速發(fā)展。除了將化石氫逐出燃料生產(chǎn)行業(yè)之外，綠色氫利益相關(guān)者已經(jīng)宣稱要將化石能源從化肥市場(chǎng)和全球經(jīng)濟(jì)的其他關(guān)鍵領(lǐng)域中擠出來。