瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院一化學(xué)科研團(tuán)隊(duì)日前發(fā)明了可以從空氣中收集水并生產(chǎn)氫的技術(shù)設(shè)備，這是一種將半導(dǎo)體技術(shù)與新型電極相結(jié)合的系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)“空氣制氫”，整個(gè)流程零排放。盡管關(guān)鍵材料和整體轉(zhuǎn)換效率還有待進(jìn)一步改進(jìn)，但對(duì)于氫能閉環(huán)循環(huán)、高效轉(zhuǎn)化的“制、儲(chǔ)、運(yùn)、用”全鏈條發(fā)展提供了新思路。

◆◆◆原型機(jī)可擴(kuò)展且易于制造

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院光電納米材料分子工程實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)工程師、首席研究員凱文·西沃拉領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》發(fā)表了研究成果，革新之處在于發(fā)明了一個(gè)新型氣體擴(kuò)散電極，這種電極透明、多孔且易導(dǎo)電，使得以太陽(yáng)能為動(dòng)力的技術(shù)能夠?qū)?lái)自空氣中的氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為氫。

據(jù)了解，原型機(jī)的形狀類似一片葉子，基地由氈制玻璃纖維組成的三維網(wǎng)格，其上涂了一層光收集半導(dǎo)體材料，因此有別于傳統(tǒng)的對(duì)陽(yáng)光不透明的電極層，這個(gè)“人造葉子”同時(shí)擁有半導(dǎo)體技術(shù)和新型電極的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，透明性使其可以最大限度地暴露于陽(yáng)光中，多孔性使其可以最大程度地與空氣中的水接觸。

西沃拉的研究團(tuán)隊(duì)建造了一個(gè)測(cè)試室，將“人造葉子”置于潮濕和充沛陽(yáng)光之中，從空氣和陽(yáng)光中收集水生產(chǎn)氫氣，相當(dāng)于將陽(yáng)光的能量以氫的形式儲(chǔ)存起來(lái)。

西沃拉指出，這個(gè)新型氣體擴(kuò)散電極利用了光電化學(xué)電池（PEC）技術(shù)，其可制成直接儲(chǔ)能的光電化學(xué)蓄電池，成為一種既能轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光能又能進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存的多途徑轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的光電化學(xué)器件，而且半導(dǎo)體在電解液中界面液體結(jié)容易形成，可以廣泛應(yīng)用多晶、薄膜型半導(dǎo)體材料，因而具有制作工藝簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

目前來(lái)看，這個(gè)“人造葉子”是一個(gè)巧妙且簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可擴(kuò)展且易于制備，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在缺點(diǎn)，包括制造使用液體的大面積PEC設(shè)備較為復(fù)雜。

◆◆◆植物光合作用觸發(fā)靈感

據(jù)了解，西沃拉的研究團(tuán)隊(duì)是從植物的光合作用中獲取的靈感，其在進(jìn)行可再生燃料的研究中發(fā)現(xiàn)，利用PEC技術(shù)從液態(tài)水和陽(yáng)光中產(chǎn)生氫，是一種很有前途的人工光合作用材料。

新加坡國(guó)立大學(xué)教授汪磊指出，自然界的光合作用是萬(wàn)物生存的基石，人工光合作用的目標(biāo)則是通過(guò)更簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)讓太陽(yáng)能或其他可持續(xù)能源以更快、更高效的方式轉(zhuǎn)化成能量密度更高、應(yīng)用更廣泛的化學(xué)能源。也就是說(shuō)，人工光合作用的終極目標(biāo)就是直接利用太陽(yáng)能，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)出液體燃料，同時(shí)確保成本經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)此，西沃拉研究團(tuán)隊(duì)的成員之一、研究報(bào)告的主要撰寫者瑪麗娜·卡雷蒂表示：“實(shí)際上，我們開(kāi)發(fā)原型機(jī)就面對(duì)了諸多挑戰(zhàn)，包括必須為每一個(gè)步驟開(kāi)發(fā)新的程序，但由于每一個(gè)步驟都相對(duì)簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展，這一科研成果仍然為更低的成本設(shè)計(jì)和制造更高效的人工光合作用設(shè)備指明了新方向?！?/p>

◆◆◆關(guān)鍵材料技術(shù)有待突破

不過(guò)，這個(gè)“空氣制氫”的技術(shù)目前轉(zhuǎn)換效率尚不確定，仍處于技術(shù)探索和經(jīng)驗(yàn)積累階段。因此，雖然原型設(shè)備和技術(shù)概念已經(jīng)完成，但仍需要在關(guān)鍵材料方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，才能具備推廣價(jià)值和商業(yè)化落地。

據(jù)悉，原型機(jī)目前只能穩(wěn)定工作大約一個(gè)小時(shí)，西沃拉的研究團(tuán)隊(duì)正在集中精力優(yōu)化系統(tǒng)，包括完善纖維尺寸、改善孔徑大小、測(cè)試半導(dǎo)體和膜材料等。

但即便如此，這個(gè)“空氣制氫”概念仍然被視為綠色制氫技術(shù)的一個(gè)重要里程碑，因?yàn)橹灰陉?yáng)光充足、濕度足夠的地方即可實(shí)現(xiàn)，甚至除了利用空氣中的氣態(tài)水，地下水、雨水、處理垃圾過(guò)程中得到的水都可以加以利用。該研究團(tuán)隊(duì)表示，實(shí)際上，如果不考慮成本和效率問(wèn)題，即便是中學(xué)生也可以在室外完成這一制氫過(guò)程。目前的制氫技術(shù)會(huì)消耗大量能源，因此更綠色、更高效的制氫方式一直是業(yè)內(nèi)追求的目標(biāo)。成本方面，只有低于“灰氫”“藍(lán)氫”“綠氫”的生產(chǎn)成本，才能凸顯出“空氣制氫”的商業(yè)價(jià)值。

英國(guó)物理學(xué)會(huì)雜志《物理世界》撰文稱，瑞士化學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出的“空氣制氫”技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣，將在家庭供暖、汽車供電方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“可持續(xù)的、低碳的社會(huì)，需要將可再生能源轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)存為化學(xué)物質(zhì)，以用作工業(yè)染料和原材料，我們的目標(biāo)是尋求可實(shí)現(xiàn)商業(yè)化且具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的清潔能源生產(chǎn)方式?！蔽魑掷瓘?qiáng)調(diào)。