一種新的，穩(wěn)定的人工光合作用裝置使利用太陽(yáng)光分解新鮮水和咸水的效率增加一倍，產(chǎn)生氫氣，然后可用于燃料電池。

該裝置還可以重新配置以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為燃料。

氫氣是最清潔的燃料，水是唯一的排放物。但氫氣生產(chǎn)并不總是環(huán)保。傳統(tǒng)方法需要天然氣或電力。新設(shè)備提出的方法，稱為直接太陽(yáng)能水分解，僅使用來(lái)自太陽(yáng)的水和光。

“如果我們可以直接將太陽(yáng)能作為一種化學(xué)燃料存儲(chǔ)，就像大自然對(duì)光合作用一樣，我們可以解決可再生能源的根本挑戰(zhàn)，”密歇根大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授澤田米說(shuō)。在蒙特利爾麥吉爾大學(xué)學(xué)習(xí)。

麥吉爾電氣和計(jì)算機(jī)工程博士生Faqrul Alam Chowdhury表示，太陽(yáng)能電池的問(wèn)題在于，如果沒(méi)有電池，它們就無(wú)法存儲(chǔ)電力，電池總體成本高，壽命有限。

該器件由與太陽(yáng)能電池和其他電子器件相同的廣泛使用的材料制成，包括硅和氮化鎵(通常在LED中發(fā)現(xiàn))。該設(shè)備采用行業(yè)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)，僅在陽(yáng)光和海水下運(yùn)行，為大規(guī)模生產(chǎn)清潔氫燃料鋪平了道路。

以前的直接太陽(yáng)能水分離器在淡水或咸水中的太陽(yáng)能 - 氫效率穩(wěn)定性略高于1%。其他方法遭受使用昂貴，低效或不穩(wěn)定的材料，例如二氧化鈦，其也可能涉及添加高酸性溶液以達(dá)到更高的效率。

然而，Mi和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)3%的太陽(yáng)能到氫氣效率。為了達(dá)到這種穩(wěn)定的效率，該團(tuán)隊(duì)建造了納米級(jí)氮化鎵塔的城市景觀，產(chǎn)生了電場(chǎng)。氮化鎵將光或光子轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)電子和帶正電荷的空穴，稱為空穴。這些自由電荷將水分子分解成氫和氧。

“當(dāng)這種特殊設(shè)計(jì)的晶圓被光子擊中時(shí)，電場(chǎng)有助于分離光生電子和空穴，從而有效地驅(qū)動(dòng)氫和氧分子的產(chǎn)生，”Chowdhury說(shuō)。

目前，芯片的硅背襯對(duì)其功能沒(méi)有貢獻(xiàn)，但它可能會(huì)做得更多。下一步可能是使用硅來(lái)幫助捕獲光并將電荷載流子匯集到氮化鎵塔中。

“雖然3%的效率可能看起來(lái)很低，但是在對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行40年研究的背景下，它實(shí)際上是一個(gè)重大的突破，”Mi說(shuō)。“根據(jù)你的計(jì)算方法，自然光合作用的效率約為0.6%。”

他補(bǔ)充說(shuō)，5%的效率是商業(yè)化的門(mén)檻，但他的團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是效率提高20%或30%。

Mi進(jìn)行了類(lèi)似的研究，以除去其氧氣中的二氧化碳，將生成的碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔?，如甲醇和合成氣。這種研究路徑可能像植物一樣從大氣中去除二氧化碳。

“這是真正令人興奮的部分，”米說(shuō)。

該設(shè)備記錄在該研究中，“用于無(wú)輔助高效整體純水分解的光化學(xué)二極管人工光合作用系統(tǒng)”，發(fā)表在Nature Communications上。與Mi和Chowdhury一起，共同作者包括魁北克水電公司交通電氣化和儲(chǔ)能卓越中心的Michel Trudeau和麥吉爾大學(xué)的Hong Guo。