绿色氢：“锈”作为光阳极及其局限性

时间：2021-06-04 14:34:33 来源：

氢作为未来能源系统的能源载体和原材料，将需要大量的氢。然而，为了实现这一目标，必须以气候中性的方式生产氢气，例如通过所谓的光电解，利用阳光将水分解成氢气和氧气。作为光电极，需要将阳光转化为电能并在水中保持稳定的半导体材料。金属氧化物是稳定且廉价的光电极的最佳候选者之一。这些金属氧化物中的一些还具有催化活性表面，可加速阴极形成氢气或阳极形成氧气。

绿色氢：“锈”作为光阳极及其局限性

为什么生锈不是更好?

长期以来，研究一直集中在赤铁矿(α-Fe2O3)上，它被广泛称为铁锈。赤铁矿在水中稳定，非常便宜，非常适合作为具有已证明的析氧催化活性的光阳极。虽然对赤铁矿光阳极的研究已经进行了大约 50 年，但其光电流转换效率还不到理论最大值的 50%。相比之下，目前占据光伏市场近 90% 的半导体材料硅的光电流效率约为理论最大值的 90%。

长期以来，科学家们一直对此感到困惑。究竟忽略了什么?仅实现了效率的适度提高的原因是什么?

以色列-德国团队解决了这个难题

然而，在最近发表在Nature Materials 上的一项研究中，由 Daniel Grave 博士(本古里安大学)、Dennis Friedrich 博士(HZB)和 Avner Rothschild 教授(Technion)领导的团队解释了为什么赤铁矿远远低于计算的最大值。Technion 的团队研究了赤铁矿薄膜中吸收光的波长如何影响光电化学特性，而 HZB 团队通过时间分辨微波测量确定了铁锈薄膜中波长相关的电荷载流子特性。

提取的基本物理性质

通过结合他们的结果，研究人员成功地提取了在考虑无机太阳能吸收剂时通常被忽视的材料的基本物理特性：光生产率光谱。“粗略地说，这意味着只有一部分被赤铁矿吸收的光能产生移动电荷载流子，其余部分产生相当局部的激发态，因此丢失了，”格雷夫解释说。

Rust 不会变得更好

“这种新方法提供了对赤铁矿中光-物质相互作用的实验洞察，并允许将其光吸收光谱区分为生产性吸收和非生产性吸收，”罗斯柴尔德解释说。“我们可以证明赤铁矿光阳极转换效率的有效上限明显低于基于上述带隙吸收的预期值，”格雷夫说。根据新的计算，今天的“冠军”赤铁矿光阳极已经非常接近理论上可能的最大值。所以没有比这更好的了。

评估新的光电极材料

该方法还成功应用于模型材料 TiO2 和目前性能最好的金属氧化物光阳极材料 BiVO4。“通过这种新方法，我们为我们的武器库添加了一个强大的工具，使我们能够识别光电极材料的可实现潜力。将其应用于新型材料有望加速太阳能水分解理想光电极的发现和开发。它将还可以让我们‘快速失败’，这在开发新的吸收材料时可以说同样重要”，弗里德里希说。

郑重声明：文章仅代表原作者观点，不代表本站立场；如有侵权、违规，可直接反馈本站，我们将会作修改或删除处理。