南韓團隊研發有機太陽能裝置創下綠色氫氣生產效率新紀錄

科學家發現了一種僅利用陽光和水便可生產清潔綠色氫氣的方法。來自南韓的團隊研發了一種太陽能驅動的裝置，能夠完全自主地分解水分子。此技術在有機水分解裝置的效率上創下了世界紀錄，並且無需任何外部電力供應。傳統的氫氣生產依賴天然氣，這一過程會釋放二氧化碳。因此，太陽能驅動的裝置提供了一個真正的零排放替代方案。然而，此類裝置在自我產生足夠電壓方面面臨挑戰，且需要外部電力支持。

「光電化學（PEC）水分解提供了一條直接的途徑來獲得太陽氫，但基於有機半導體的光陽極受到不足的光電壓和界面不穩定性的限制，」研究人員在研究中表示。

解決光陽極的瓶頸

現時，位於蔚山國立科學技術院（UNIST）的研究團隊已試圖解決這一瓶頸。研究人員設計了一種串聯裝置，將兩層光吸收層疊加在一起。在實驗室測試中，該微型電池達到了 7.9%的太陽能轉氫效率，這是有機半導體光陽極在未施加電壓情況下記錄的最高數據。水的分解要求最低電壓閾值為 1.23 伏特。單層有機材料無法穩定達到這一目標。以往，為了提升電壓而堆疊兩層的方式導致了快速劣化。

標準連接器材料 PEDOT:PSS 具有高度酸性，且易受到水的影響，這意味著它會迅速損壞相鄰元件。

新材料提升裝置性能

UNIST 團隊用全新的混合層替代了這一腐蝕性連接。他們將氧化鉬與一種名為 2PACz 的有機分子結合。氧化鉬既不酸性，也不易於吸收水分，同時形成一層保護屏障，防止在塗層過程中液體溶剤滲漏。與此同時，2PACz 分子能夠平滑微觀缺陷，允許電荷自由流動。「最終的串聯光陽極在未施加外部電壓的兩電極操作下，達到了 1.67 V vs. RHE 的起始電位和 7.9%的太陽能轉氫（STH）效率，據我們所知，這是有機半導體基光陽極在無外部偏壓下報告的最高數據，」研究補充道。

商業化潛力與成本降低

經過 10 小時的持續運行，該裝置保留了 86%的初始光電流，而傳統設計的性能則下降至 36%。這項技術已經超越了實驗室的階段。研究人員組裝了一個面積達 320 平方釐米的戶外模組，成功在自然陽光下生產氫氣。為了降低成本，工程師大幅減少了貴金屬的使用。氫氣電極上的鉑金含量被降低至僅佔 0.1%，而對電極則依賴於一種經濟實惠的鎳-鐵-鈷催化劑。由於兩側在同一化學浴中運行，該設置完全避免了昂貴的離子交換膜。

經濟模型顯示，如果該裝置能夠在規模上達到其理論上 16%的效率極限，氫氣的生產成本可降至每公斤 US$4.26 (約 HK$33)。與此同時，新加坡南洋理工大學的研究人員正在將太陽燃料生產推向一個引人注目的新方向。他們的葉片啟發裝置使用陽光從海水中直接提取氫氣，同時中和一種有毒的工業化學品：肼。這兩項突破顯示，太陽驅動的化學技術正在迅速從一個脆弱的概念演變為實用的工業工具。

有機太陽能裝置的突破與未來展望

南韓團隊的研發成果顯示，利用有機半導體的太陽能裝置在氫氣生產上取得了顯著進展。這不僅解決了傳統氫氣生產過程中的環境問題，還展示了新材料在提升裝置性能方面的潛力。隨著技術的成熟，這些創新可能會降低氫氣生產的成本，促進可再生能源的廣泛應用，對未來的能源結構轉型具有重要意義。