韩国团队研发有机太阳能装置创下绿色氢气生产效率新纪录

科学家发现了一种仅利用阳光和水便可生产清洁绿色氢气的方法。来自韩国的团队研发了一种太阳能驱动的装置，能够完全自主地分解水分子。此技术在有机水分解装置的效率上创下了世界纪录，并且无需任何外部电力供应。传统的氢气生产依赖天然气，这一过程会释放二氧化碳。因此，太阳能驱动的装置提供了一个真正的零排放替代方案。然而，此类装置在自我产生足够电压方面面临挑战，且需要外部电力支持。

“光电化学（PEC）水分解提供了一条直接的途径来获得太阳氢，但基于有机半导体的光阳极受到不足的光电压和界面不稳定性的限制，”研究人员在研究中表示。

解决光阳极的瓶颈

现时，位于蔚山国立科学技术院（UNIST）的研究团队已试图解决这一瓶颈。研究人员设计了一种串联装置，将两层光吸收层叠加在一起。在实验室测试中，该微型电池达到了 7.9%的太阳能转氢效率，这是有机半导体光阳极在未施加电压情况下记录的最高数据。水的分解要求最低电压阈值为 1.23 伏特。单层有机材料无法稳定达到这一目标。以往，为了提升电压而堆叠两层的方式导致了快速劣化。

标准连接器材料 PEDOT:PSS 具有高度酸性，且易受到水的影响，这意味着它会迅速损坏相邻元件。

新材料提升装置性能

UNIST 团队用全新的混合层替代了这一腐蚀性连接。他们将氧化钼与一种名为 2PACz 的有机分子结合。氧化钼既不酸性，也不易于吸收水分，同时形成一层保护屏障，防止在涂层过程中液体溶剂渗漏。与此同时，2PACz 分子能够平滑微观缺陷，允许电荷自由流动。“最终的串联光阳极在未施加外部电压的两电极操作下，达到了 1.67 V vs. RHE 的起始电位和 7.9%的太阳能转氢（STH）效率，据我们所知，这是有机半导体基光阳极在无外部偏压下报告的最高数据，”研究补充道。

商业化潜力与成本降低

经过 10 小时的持续运行，该装置保留了 86%的初始光电流，而传统设计的性能则下降至 36%。这项技术已经超越了实验室的阶段。研究人员组装了一个面积达 320 平方厘米的户外模块，成功在自然阳光下生产氢气。为了降低成本，工程师大幅减少了贵金属的使用。氢气电极上的铂金含量被降低至仅占 0.1%，而对电极则依赖于一种经济实惠的镍-铁-钴催化剂。由于两侧在同一化学浴中运行，该设置完全避免了昂贵的离子交换膜。

经济模型显示，如果该装置能够在规模上达到其理论上 16%的效率极限，氢气的生产成本可降至每公斤 US$4.26 (约 HK$33)。与此同时，新加坡南洋理工大学的研究人员正在将太阳燃料生产推向一个引人注目的新方向。他们的叶片启发装置使用阳光从海水中直接提取氢气，同时中和一种有毒的工业化学品：肼。这两项突破显示，太阳驱动的化学技术正在迅速从一个脆弱的概念演变为实用的工业工具。

有机太阳能装置的突破与未来展望

韩国团队的研发成果显示，利用有机半导体的太阳能装置在氢气生产上取得了显著进展。这不仅解决了传统氢气生产过程中的环境问题，还展示了新材料在提升装置性能方面的潜力。随着技术的成熟，这些创新可能会降低氢气生产的成本，促进可再生能源的广泛应用，对未来的能源结构转型具有重要意义。