天津大學(xué)化工學(xué)院新能源化工團(tuán)隊(duì)近日在無(wú)偏壓光電化學(xué)水分解制氫領(lǐng)域取得重要研究成果，該研究開(kāi)發(fā)了一種高效、穩(wěn)定的半透明光電陽(yáng)極器件，能顯著提升水氧化反應(yīng)速率，提高太陽(yáng)能水分解制氫效率。相關(guān)論文發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上。

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，太陽(yáng)能作為清潔、可持續(xù)的能源來(lái)源，逐漸成為解決這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。但是太陽(yáng)能存在間歇性的缺點(diǎn)。無(wú)偏壓太陽(yáng)能水分解技術(shù)可以利用太陽(yáng)能直接驅(qū)動(dòng)水分子分解成氫氣和氧氣，這種方法能夠高效地將間歇性的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的氫氣，因而被視為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境污染的潛在解決路徑之一。

然而，由于光電陽(yáng)極水氧化反應(yīng)速率較慢，限制了整體水分解的效率，成為無(wú)偏壓太陽(yáng)能水分解技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。面對(duì)這一難題，天津大學(xué)化工學(xué)院新能源化工團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了一種高效、穩(wěn)定的半透明光電陽(yáng)極器件——半透明硫化銦光陽(yáng)極。該器件獨(dú)特的透明特性，在顯著提升水氧化反應(yīng)速率的同時(shí)，還能允許部分陽(yáng)光穿透到達(dá)光電陰極，減少太陽(yáng)光的無(wú)效能量損耗，有效解決了金屬層的不透光效應(yīng)與光生電子跨界面?zhèn)鬏斦系K之間的矛盾。

實(shí)驗(yàn)表明，得益于優(yōu)異的半透明特性，該器件在完全依靠陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了5.10%的太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)下該類(lèi)系統(tǒng)最高紀(jì)錄。此前，采用硅基光電陰極與全無(wú)機(jī)光電陽(yáng)極的無(wú)偏壓光電化學(xué)水分解系統(tǒng)，其太陽(yáng)能-氫能轉(zhuǎn)換效率尚未突破5%大關(guān)。這一突破證明，純無(wú)機(jī)半透明光電陽(yáng)極的串聯(lián)光電化學(xué)器件，在太陽(yáng)能制氫領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

據(jù)悉，該成果不僅為半透明光電陽(yáng)極的設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新性解決方案，還為未來(lái)多組分串聯(lián)光電極的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新的研究思路。隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，更高效、更便宜、更耐用的“人工樹(shù)葉”有望出現(xiàn)。它們可能覆蓋在建筑物的外墻或屋頂上，甚至在沙漠中建立大型“陽(yáng)光制氫站”。太陽(yáng)能水分解技術(shù)有望在未來(lái)成為氫能生產(chǎn)的重要途徑，進(jìn)一步推動(dòng)清潔能源的廣泛應(yīng)用。這意味著人類(lèi)未來(lái)開(kāi)動(dòng)的汽車(chē)、使用的能源將可能源自陽(yáng)光和水的“人工光合作用”，真正實(shí)現(xiàn)綠色循環(huán)。