发电和储存太阳能或风能等可再生能源，是清洁能源经济面临的一大关键障碍。当 Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP)于2010年在加州理工学院及其合作机构成立时，美国能源部（DOE）能源创新中心只有一个主要目标：以低成本的方式，仅利用阳光、水和二氧化碳制造燃料，模仿植物的光合作用过程，并以化学燃料的形式储存能量，以便随时取用。过去五年间，JCAP的研究人员在实现这一目标方面取得了重大进展，目前他们报告已研发出首个完整、高效、安全、集成化的太阳能驱动水分解系统，用于制造氢燃料。
“这一成果是JCAP整个五年期间的一项高难度项目里程碑，我们不仅实现了这一目标，还按时并在预算范围内完成，”加州理工学院的 Nate Lewis（George L. Argyros讲席教授、化学教授兼JCAP科学总监）表示。
这一新型太阳能燃料生成系统，即“人造树叶”，发表于8月27日在线出版的期刊《 Energy and Environmental Science》上。该工作由Lewis及 Harry Atwater的实验室研究人员完成，Atwater为JCAP主任兼Howard Hughes应用物理与材料科学教授。
“这一成果依托于JCAP的知识、见解与能力，体现了集成团队在中心规模的工作中能够取得的成就，”Atwater表示，“本文报道的装置源于一项历时多年、规模庞大的工作，旨在确定集成式太阳能燃料发生器所需的设计与材料组件。”
太阳能燃料原型机运行中
一种完全集成的光电化学装置，可在无外部辅助的情况下进行太阳能水分解以制备氢燃料。图片来源：Erik Verlage与Chengxiang Xiang/Caltech
新系统由三个主要部分组成：两个电极（一个光阳极和一个光阴极）以及一层膜。光阳极利用阳光氧化水分子，生成质子、电子和氧气。光阴极将质子与电子重新结合，形成氢气。JCAP设计的关键部分是塑料膜，它将氧气与氢气分开。若两种气体混合并意外点燃，可能发生爆炸；该膜使氢燃料能够在加压下单独收集，并安全地输送入管道。
硅或砷化镓等半导体能高效吸收光线，因此被用于太阳能电池板。然而，这些材料暴露于水中时表面也会氧化（即生锈），因此无法直接用于产生燃料。使集成系统得以开发的一项重大进展来自 此前的研究 （Lewis实验室），该研究表明，在电极上添加一层纳米级厚度的二氧化钛（TiO2）——一种见于白色涂料以及许多牙膏和防晒霜中的材料——可以防止电极腐蚀，同时仍允许光线和电子透过。Lewis及同事开发的这一全新完整太阳能燃料生成系统，采用了62.5纳米厚的TiO2层，以有效防止腐蚀，并提高砷化镓基光电极的稳定性。
另一项关键进展是使用活性高、成本低廉的催化剂来制造燃料。光阳极需要催化剂来推动必不可少的水分解反应。铂等稀有且昂贵的金属可以充当有效催化剂，但该团队在研究中发现，通过在TiO2表面添加一层2纳米厚的镍，可以制造出成本低得多且具有活性的催化剂。该催化剂是已知的将水分子分解为氧气、质子和电子的最具活性的催化剂之一，也是该装置展现高效率的关键。
光阳极被生长在光阴极上，后者同样含有一种活性高、成本低廉的镍-钼催化剂，从而形成一种完全集成的单一材料，可作为完整的太阳能驱动水分解系统。
对新系统的效率和安全性起关键作用的，是一种特殊的塑料膜，它分隔气体并防止爆炸的可能性，同时允许离子顺畅流动，以完成电池中的电路。所有组件在相同条件下均保持稳定，并协同工作，形成高性能的完全集成系统。该演示系统面积约为一平方厘米，可将太阳能中10%的能量转化为化学燃料中储存的能量，并能连续运行超过40小时。
“这一新系统在人造树叶技术的安全性、性能与稳定性综合指标上，全面打破了既有纪录，提升幅度达5至10倍甚至更高，”Lewis表示。
“我们的工作表明，利用廉价组件的集成系统，确实可以安全高效地由阳光制造燃料，”Lewis补充道，“当然，我们仍需延长系统寿命，并开发经济高效的整套系统制造方法，这两项工作目前都在进行中。”
由于该工作整合了JCAP内多个团队开发的各类组件，共同作者Chengxiang Xiang（JCAP原型开发与放大项目的联合负责人）表示，最终的成功是合作的结果。“JCAP在装置设计、模拟以及材料发现与集成方面的研发工作，最终都汇聚到了这一新装置的演示中，”Xiang表示。
相关成果发表于题为 “A monolithically integrated, intrinsically safe, 10% efficient, solar-driven water-splitting system based on active, stable earth-abundant electrocatalysts in conjunction with tandem III-V light absorbers protected by amorphous TiO2 films.” 的论文中。除Lewis、Atwater和Xiang外，其他加州理工学院的共同作者还包括研究生Erik Verlage、博士后学者Shu Hu和Ke Sun、材料加工与集成研究工程师Rui Liu，以及JCAP机械工程师Ryan Jones。资金由美国能源部科学办公室以及Gordon and Betty Moore基金会提供。
本文与 加州理工学院合作发布。世界经济论坛刊发本文并不意味着认可其中观点。
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作者：Jessica Stoller-Conrad是一名自由撰稿人，专注于食品、健康和科学报道。
图片：一名电力局员工正在架空电缆上作业。REUTERS/Jitendra Prakash
