美國聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的化學(xué)工程師發(fā)明了一種由太陽能驅(qū)動的人造葉子，它建立在一個透明多孔的新型電極上，能夠從空氣中收集水，并將其轉(zhuǎn)化為氫燃料。這種基于半導(dǎo)體的技術(shù)是可擴(kuò)展的，易于制備。

　　一種可以從空氣中收集水并提供氫燃料的設(shè)備——完全由太陽能驅(qū)動——一直是研究人員幾十年來的夢想?，F(xiàn)在，EPFL化學(xué)工程師Kevin Sivula和他的團(tuán)隊已經(jīng)邁出了重要的一步，使這一愿景更接近現(xiàn)實。他們開發(fā)了一種巧妙而簡單的系統(tǒng)，將基于半導(dǎo)體的技術(shù)與具有兩個關(guān)鍵特征的新型電極相結(jié)合：它們是多孔的，可以最大限度地與空氣中的水接觸；透明，最大限度地使半導(dǎo)體涂層暴露在陽光下。當(dāng)該設(shè)備僅僅暴露在陽光下時，它會從空氣中吸收水分并產(chǎn)生氫氣。研究結(jié)果發(fā)表在2023年1月4日的《先進(jìn)材料》雜志上。

　　“為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的社會，我們需要將可再生能源儲存為化學(xué)物質(zhì)，用作工業(yè)燃料和原料。太陽能是最豐富的可再生能源形式，我們正在努力開發(fā)具有經(jīng)濟(jì)競爭力的方法來生產(chǎn)太陽能燃料，”EPFL光電納米材料分子工程實驗室的Sivula說，他是這項研究的主要研究員。

　　在可再生化石燃料的研究中，EPFL的工程師與豐田汽車歐洲公司合作，從植物利用空氣中的二氧化碳將陽光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的方式中獲得靈感。植物本質(zhì)上是從環(huán)境中獲取二氧化碳和水，在陽光的額外能量推動下，可以將這些分子轉(zhuǎn)化為糖和淀粉，這一過程被稱為光合作用。陽光的能量以化學(xué)鍵的形式儲存在糖和淀粉中。

　　由Sivula和他的團(tuán)隊開發(fā)的透明氣體擴(kuò)散電極，當(dāng)涂上一層光收集半導(dǎo)體材料時，確實像一片人造葉子一樣，從空氣和陽光中收集水來產(chǎn)生氫氣。陽光的能量以氫鍵的形式儲存起來。

　　與傳統(tǒng)的不透明電極層不同，他們的基底實際上是由氈制玻璃纖維組成的三維網(wǎng)格。

　　該研究的主要作者M(jìn)arina Caretti說：“開發(fā)我們的原型設(shè)備具有挑戰(zhàn)性，因為之前沒有演示過透明氣體擴(kuò)散電極，我們必須為每一步開發(fā)新的程序。然而，由于每一步都相對簡單且可擴(kuò)展，我認(rèn)為我們的方法將為廣泛的應(yīng)用開辟新的領(lǐng)域，從太陽能驅(qū)動制氫的氣體擴(kuò)散基底開始。”

　　從液態(tài)水到空氣中的水汽，Sivula和其他研究小組此前已經(jīng)證明，通過使用一種稱為光電化學(xué)(PEC)電池的設(shè)備，從液態(tài)水和陽光中產(chǎn)生氫燃料，進(jìn)行人工光合作用是可能的。PEC電池通常被稱為使用入射光刺激浸沒在液體溶液中的光敏材料(如半導(dǎo)體)以引起化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。但在實際應(yīng)用中，這一工藝有其缺點，例如制造使用液體的大面積PEC設(shè)備很復(fù)雜。

　　Sivula希望證明PEC技術(shù)可以用于從空氣中收集濕氣，從而開發(fā)出新的氣體擴(kuò)散電極。電化學(xué)電池(例如燃料電池)已經(jīng)被證明可以與氣體而不是液體一起工作，但之前使用的氣體擴(kuò)散電極是不透明的，與太陽能PEC技術(shù)不兼容。

　　現(xiàn)在，研究人員正集中精力優(yōu)化系統(tǒng)。理想的纖維尺寸是多少？理想的孔徑大小是多少？理想的半導(dǎo)體和膜材料？這些都是歐盟“從太陽到X”項目正在研究的問題，該項目致力于推進(jìn)這項技術(shù)，并開發(fā)將氫轉(zhuǎn)化為液體燃料的新方法。

　　為了制造透明的氣體擴(kuò)散電極，研究人員從一種玻璃棉開始，它本質(zhì)上是石英(也稱為氧化硅)纖維，并通過高溫將纖維融合在一起加工成氈晶片。接下來，晶圓被涂上一層摻氟氧化錫的透明薄膜，這種薄膜以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、魯棒性和易于放大而聞名。這些步驟產(chǎn)生了透明、多孔、導(dǎo)電的晶圓，這對于最大限度地與空氣中的水分子接觸并讓光子通過至關(guān)重要。然后再給晶圓涂上一層薄膜，這層薄膜是吸收陽光的半導(dǎo)體材料。這第二層薄涂層仍然可以讓光線通過，但由于多孔基板的大表面積而顯得不透明。事實上，一旦暴露在陽光下，這種涂層晶圓已經(jīng)可以生產(chǎn)氫燃料。

　　科學(xué)家們接著建造了一個小室，里面裝有涂有涂層的晶片，以及一層膜，用于分離產(chǎn)生的氫氣進(jìn)行測量。當(dāng)他們的艙室在潮濕的條件下暴露在陽光下時，就會產(chǎn)生氫氣，實現(xiàn)了預(yù)想中的過程，這表明用于太陽能制氫的透明氣體擴(kuò)散電極的概念是可以實現(xiàn)的。

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