通过人工光合作用收获清洁的氢燃料

一种新的，稳定的人工光合作用装置使利用太阳光分解新鲜水和咸水的效率增加一倍，产生氢气，然后可用于燃料电池。

该装置还可以重新配置以将二氧化碳转化为燃料。

氢气是最清洁的燃料，水是唯一的排放物。但氢气生产并不总是环保。传统方法需要天然气或电力。新设备提出的方法，称为直接太阳能水分解，仅使用来自太阳的水和光。

“如果我们可以直接将太阳能作为一种化学燃料存储，就像大自然对光合作用一样，我们可以解决可再生能源的根本挑战，”密歇根大学电气和计算机工程教授泽田米说。在蒙特利尔麦吉尔大学学习。

麦吉尔电气和计算机工程博士生Faqrul Alam Chowdhury表示，太阳能电池的问题在于，如果没有电池，它们就无法存储电力，电池总体成本高，寿命有限。

该器件由与太阳能电池和其他电子器件相同的广泛使用的材料制成，包括硅和氮化镓(通常在LED中发现)。该设备采用行业准备设计，仅在阳光和海水下运行，为大规模生产清洁氢燃料铺平了道路。

以前的直接太阳能水分离器在淡水或咸水中的太阳能 - 氢效率稳定性略高于1%。其他方法遭受使用昂贵，低效或不稳定的材料，例如二氧化钛，其也可能涉及添加高酸性溶液以达到更高的效率。

然而，Mi和他的团队实现了超过3%的太阳能到氢气效率。为了达到这种稳定的效率，该团队建造了纳米级氮化镓塔的城市景观，产生了电场。氮化镓将光或光子转变为移动电子和带正电荷的空穴，称为空穴。这些自由电荷将水分子分解成氢和氧。

“当这种特殊设计的晶圆被光子击中时，电场有助于分离光生电子和空穴，从而有效地驱动氢和氧分子的产生，”Chowdhury说。

目前，芯片的硅背衬对其功能没有贡献，但它可能会做得更多。下一步可能是使用硅来帮助捕获光并将电荷载流子汇集到氮化镓塔中。

“虽然3%的效率可能看起来很低，但是在对这个过程进行40年研究的背景下，它实际上是一个重大的突破，”Mi说。“根据你的计算方法，自然光合作用的效率约为0.6%。”

他补充说，5%的效率是商业化的门槛，但他的团队的目标是效率提高20%或30%。

Mi进行了类似的研究，以除去其氧气中的二氧化碳，将生成的碳转化为碳氢化合物，如甲醇和合成气。这种研究路径可能像植物一样从大气中去除二氧化碳。

“这是真正令人兴奋的部分，”米说。

该设备记录在该研究中，“用于无辅助高效整体纯水分解的光化学二极管人工光合作用系统”，发表在Nature Communications上。与Mi和Chowdhury一起，共同作者包括魁北克水电公司交通电气化和储能卓越中心的Michel Trudeau和麦吉尔大学的Hong Guo。