解密：“人造葉子”如何生產綠色氫氣

 綠色氫市場像火箭一樣迅速發(fā)展，這主要得益于低成本的風能和太陽能。然而，研究人員并沒有滿足于他們的成就。模仿自然界高效產氫系統(tǒng)的競賽正在進行，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，化石能源仍然主導著全球氫氣市場。但這不會持續(xù)太久。替代能源正在涌入市場，其中最主要的是電解水。

到目前為止，大多數(shù)可持續(xù)的氫氣活動都集中在電解上，在電解過程中，可再生能源產生電流，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，電解確實需要將可再生資源轉化為電能。隨著大量其他用戶涌入該領域，氫氣的利益相關者將不得不擠進風能和太陽能的競爭中。

其中一種方法是提高電解系統(tǒng)的效率。然而，隨著氣候危機的惡化，將風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強大的新工具，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變通辦法。

例如，劍橋大學的一個研究小組正準備將一種低成本、耐用的人造樹葉推向市場。他們的裝置可以漂浮在運河和其他水體上，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，當我們注意到哈佛大學教授Daniel Nocera在研究一種低成本、太陽能驅動、可持續(xù)的氫氣系統(tǒng)時，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，用于離網社區(qū)的家庭使用。

從那時起，水電解法幾乎吸引了所有媒體的關注，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。你只需要制造一個特殊的太陽能電池，叫做光電化學電池，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反應。

根據不同的研究路線，光化學電池包括兩個子集，其中一個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，如果我們已經有了水電解，為什么還要麻煩地用光電化學系統(tǒng)生產綠色氫氣呢？

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。

普渡大學的研究人員尤利婭·普什卡(Yulia Pushkar)在去年的新聞發(fā)布會上總結了這一點，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效率為60%的系統(tǒng)，因為我們已經在自然光合作用方面有了先例。如果我們野心勃勃，甚至可以設想一個效率高達80%的系統(tǒng)。”

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

用于綠色氫氣的人造樹葉

光電化學制氫技術還沒有準備好進入市場。研究人員知道如何復制光合作用中的反應，但持久性一直是一個障礙。他們還沒有弄清楚大自然母親是如何讓這一過程長時間運行的。

目前的主要問題是用于光電化學電池的半導體會被水基溶液腐蝕。能源部預計耐久性問題是可以解決的。

該機構在其網站上解釋說：“PEC(光電化學)水解是一種很有前途的太陽能轉化氫的途徑，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體材料實現(xiàn)高轉換效率的潛力。”同時指出，“為了市場可行性，仍需要繼續(xù)提高效率、耐久性和成本。”

為了推動這一進程，美國能源部提出了一套由國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)和勞倫斯·伯克利國家實驗室(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，標題為“PEC的最佳實踐：如何可靠地測量光電陰極的太陽能到氫的效率”。

由NREL提供的光電化學系統(tǒng)

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

綠色氫不會等待“人造葉子”

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

部分答案可能在于它們的歷史。電解水是一項有幾百年歷史的技術，其起源可以追溯到1789年。電解水在其他應用中有很多微調的機會，包括在國際空間站生產氧氣。在太陽能電池和風力渦輪機開始為全球經濟提供動力之前，作為一種氫氣生產途徑看上去并沒有什么實際意義。

相比之下，NREL指出“人造葉子”是一個相對較新的技術。根據該實驗室的說法，直到1972年，光電化學水解的描述才出現(xiàn)在科學出版物上。

科隆大學的光電化學實驗

NREL把自己作為一個很好的例子，說明需要在一個新的研究領域建立標準和最佳實踐。1998年NREL報告稱，它創(chuàng)造了12.4%的太陽能制氫效率記錄，使其成為第一個突破10%門檻的研究機構。然而，在2016年，該實驗室在確定實驗被過度照明后，不得不將這個數(shù)字做了向下修正。

憑借更先進的工具，NREL的一個研究團隊在2017年創(chuàng)造了16.2%的太陽能到氫轉換效率的新紀錄。這幾乎已經可以達到目的。能源部的目標是將效率提高到25%，但NREL的一項分析表明，太陽能制氫系統(tǒng)在不達到這一目標的情況下仍具有經濟競爭力。

與此同時，電解水確實像火箭一樣飛速發(fā)展。除了將化石氫逐出燃料生產行業(yè)之外，綠色氫利益相關者已經宣稱要將化石能源從化肥市場和全球經濟的其他關鍵領域中擠出來。