高效人造树叶带我们走进“氢经济”时代

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“氢经济”听起来再绿色和生态友好不过了。燃料电池将氢与环境空气中的氧结合发电，副产品除了纯水什么都没有——如果你厌恶污染而且口渴的话那就好极了。而现在我们面临的问题就是氢的来源：它绝大多数来自化石燃料，特别是天然气。而当甲烷转化为氢气时，其效率为80%，另外20%则是二氧化碳。

地球上绝大多数可以获得的清洁的氢与氧一起被锁在水中，但分解水变氧气和有用的氢气，并不是一个特别环境友好或高效的过程。梦想一种“人造叶”，这是一种无源、廉价的东西，把它放进水中并暴露在阳光下，然后就看着它冒泡放出你需要的所有氢和氧。人们一直在致力于研究它，但是加州理工学院刚刚在人工叶方面做出了一个巨大进步，研究者认为，“它粉碎了人工叶技术所有安全性、性能、和稳定性的组合记录，提升了5到10倍或者更多。”

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加州理工学院的人工光合作用联合中心数年来一直致力于研究将阳光、水和二氧化碳转化为有用化学燃料的方法。他们刚刚在《能源与环境科学》上发表了一篇论文，描述一种高效、简单、相对廉价的新设计，而且其可靠性足够指明工业化的道路。

加州理工学院的设计使用薄膜分隔的两个电极(光电阳极和光电阴极)。阳极由砷化镓制成，是一种良好的光吸收器，但暴露于水时容易氧化。一层二氧化钛有助于保持光电阳极稳定并提供保护，上面还有一层镍作为催化剂。当暴露在阳光下，阳极氧化水分子，产生氧(O₂)以及质子和电子，它们通过薄膜并被阴极重新组合成为氢气(H₂)。把所有这些放在一起，你就得到一个单一、完全集成的系统，放在阳光下就能把水分解成氧气和氢气：

视频中展示的1平方厘米原型以10%以上的效率连续运作了40小时，每秒生产约0.8微升氢气。它是一整块，没有导线，而且其活性电催化剂都是“地球含量丰富”的(廉价的另一种说法)。

虽然加州理工学院的团队已经在研究以成本效益的方法制造整个系统，它显然还远没有准备好投产。不过看着它毫不费力地从水和阳光中生产燃料还是相当棒的。

话说回来，需要注意的是，目前通过使用传统太阳能电池把太阳能转换成电而不是氢，你可以获得更多能源(约20%的效率)。因为太阳能电池是一个已建立的行业，这种方式也便宜得多。但是，用此电力通过电解产生氢不是特别高效：使用非聚光硅光伏电池和商用电解槽，你看到的是一个以约12%效率将阳光转换为氢的复杂系统。人造叶以简单得多(最终更便宜)的方式接近现有阳光—氢转换器的效率是很有吸引力的。但是如果它以现有技术直接发电约一半的能源效率运行，为什么还要折腾氢呢？

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在诸多重要方面，氢是一种比电池好得多的能源存储介质。作为惰性化学燃料，氢可以储存能量几十年而不退化，并能提供高能量密度，特别是以压缩或固体形式(结合在金属晶格或粉末中)。例如，对于电动汽车来说，氢可以提供远超过目前几吨锂离子电池的续航。而加氢则更像是给汽车加油，而不是在车充电时在休息站等着。

该设备目前的迭代并不完全稳定。换句话说，会有一些退化，因此你不能让它无限期运行。初始的太阳能—氢转化效率为11%，运作40小时后降低到10%，运作共80小时后为9%。最终(虽然这篇文章并没有确切说何时)设备经历了“灾难性故障”；至于具体发生了什么我们只能想像了。故障来源似乎是二氧化钛保护层的缺陷，由薄膜最初被沉积时半导体表面上的灰尘颗粒所导致。电解液能够潜入这些缺陷，慢慢腐蚀二氧化钛，并导致转换效率呈线性下降直到故障。

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好消息是，研究人员已经识别了这一退化的原因，并且他们非常肯定这是一个可解决的问题。他们表示有可能使用纳米线的牺牲阵列来电化学隔离缺陷，使设备能运行更久，一旦能够使之工作，他们会尽快报告这种系统的成果。我们希望他们很快就可以做到这点，因为能够在住宅规模上把阳光高效地直接转化成氢果断能使氢经济更现实。

本文译自 IEEE Spectrum，由 王丢兜 编辑发布。