NREL：太陽能水分解制氫技術(shù)實踐指南

光電極通過分解水來產(chǎn)生氫氣。照片：丹尼斯·施羅德，NREL

　　來自美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)和勞倫斯·伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的科學(xué)家們?yōu)檠芯咳藛T提供了一份指南，指導(dǎo)他們?nèi)绾魏饬恐苯永锰柲苌a(chǎn)氫氣的效率。

　　光電化學(xué)(PEC)水分解法，依靠陽光將水分解成氧和氫元素，是潛在的最可持續(xù)的清潔能源途徑之一。然而，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的方法，不同的實驗室對同一系統(tǒng)的PEC過程效率的測量可能相差很大。發(fā)表在《能源研究前沿》上的實踐指南旨在為比較不同地點和不同群體獲得的結(jié)果提供參照。

　　隨著研究人員繼續(xù)完善該技術(shù)，該出版物為PEC社區(qū)提供了路線圖。兩個實驗室通過使用相同的測試硬件、PEC光電電極和測量程序進行循環(huán)測試，驗證了這些實踐。對光伏的研究已經(jīng)允許了電池效率的認(rèn)證，但PEC的水分解效率測量還沒有一個被廣泛接受的協(xié)議。

　　NREL的高級科學(xué)家Todd Deutsch說：“很難比較實驗室之間報告的PEC水分解效率結(jié)果，因為人們傾向于在不同的條件下進行測量，"Todd Deutsch是新期刊文章的合著者，“《PEC的實踐：如何可靠地測量光電陰極的太陽能到氫的效率》。能源部早就意識到了這一點，所以我們已經(jīng)做了很多努力來建立標(biāo)準(zhǔn)，我們參與了多個實驗室的合作，也參與了NREL的實驗項目。"

　　“這篇協(xié)議論文的動機是為剛剛進入該領(lǐng)域的研究人員提供指導(dǎo)，同時為更有經(jīng)驗的科學(xué)家描述微妙的技術(shù)技巧，"伯克利實驗室的材料工作科學(xué)家、該期刊文章的合著者弗朗西斯卡·托馬(Francesca Toma)說。“我們利用了兩個跨越基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的國家實驗室的特別優(yōu)勢。"

　　這篇文章闡明了路徑，以便所有實驗室都能遵循一種統(tǒng)一的實驗實踐，從制造光電電極所需的材料開始。作者繼續(xù)詳細(xì)介紹了制造過程、實驗設(shè)置和測量太陽能轉(zhuǎn)氫(STH)效率的過程。研究人員指出，要準(zhǔn)確描述STH效率，就需要直接測量PEC水分解產(chǎn)生的氫氣量。

PEC水分解過程示意圖

　　PEC水分解出現(xiàn)在1972年的科學(xué)出版物中。從那時起，研究人員不斷改進和完善這一過程，但到目前為止，還沒有建立起標(biāo)準(zhǔn)化的STH測量程序。NREL在1998年創(chuàng)下了效率超過10%(達到了12.4%)的個記錄，但在2016年，在一份出版物中，描述了在進行效率測量時要避免的常見陷阱，在意識到原始實驗被過度照明后，NREL向下修訂了這一數(shù)字。2017年，該團隊利用帶隙工程(Band Gap Engineering)設(shè)計了更優(yōu)化的吸光器，以充分利用太陽光譜，最終產(chǎn)生了16.2%的STH，這在當(dāng)時是一項新的世界紀(jì)錄。

　　美國能源部氫與燃料電池技術(shù)辦公室已將PEC水分解技術(shù)STH的最終目標(biāo)定為25%，盡管初步成本分析表明，具有成本競爭力的氫能夠以較低的效率實現(xiàn)。光電電極的效率從10%到20%。

　　PEC的研究人員還在繼續(xù)致力于提高耐久性。用來捕捉陽光的半導(dǎo)體被浸泡在水(水基)電解質(zhì)中。但由于電解液的pH值從酸性到堿性不等，電解液會腐蝕半導(dǎo)體，縮短其壽命。

　　“耐用性仍然是這項技術(shù)的一大要點，"Deutsch說。“已經(jīng)取得了一些進展，但遠遠不及最近在提高效率方面取得的進展。"

　　Deutsch與他人合著了一篇新論文，同樣發(fā)表在《能源研究前沿》上，題為“光電化學(xué)水分解的長期穩(wěn)定性指標(biāo)"，文中描述了在清潔和可再生燃料發(fā)電中，實現(xiàn)同時高效穩(wěn)定的無輔助PEC水分解是'圣杯'。這篇論文提供了一個進行長期穩(wěn)定性實驗的框架，希望達到超高穩(wěn)定性(持續(xù)時間超過10000小時)和大于15%的效率。

　　作為能源材料網(wǎng)絡(luò)的一部分，美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的氫和燃料電池技術(shù)辦公室成立了氫先進水分裂材料聯(lián)盟，資助了這項研究。

文章來源：全球氫能網(wǎng)

注：已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)