NREL：太陽能水分解制氫技術實踐指南

光電極通過分解水來產生氫氣。照片：丹尼斯·施羅德，NREL

　　來自美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)和勞倫斯·伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的科學家們為研究人員提供了一份指南，指導他們如何衡量直接利用太陽能生產氫氣的效率。

　　光電化學(PEC)水分解法，依靠陽光將水分解成氧和氫元素，是潛在的最可持續的清潔能源途徑之一。然而，由于缺乏標準化的方法，不同的實驗室對同一系統的PEC過程效率的測量可能相差很大。發表在《能源研究前沿》上的實踐指南旨在為比較不同地點和不同群體獲得的結果提供參照。

　　隨著研究人員繼續完善該技術，該出版物為PEC社區提供了路線圖。兩個實驗室通過使用相同的測試硬件、PEC光電電極和測量程序進行循環測試，驗證了這些實踐。對光伏的研究已經允許了電池效率的認證，但PEC的水分解效率測量還沒有一個被廣泛接受的協議。

　　NREL的高級科學家Todd Deutsch說：“很難比較實驗室之間報告的PEC水分解效率結果，因為人們傾向于在不同的條件下進行測量，"Todd Deutsch是新期刊文章的合著者，“《PEC的實踐：如何可靠地測量光電陰極的太陽能到氫的效率》。能源部早就意識到了這一點，所以我們已經做了很多努力來建立標準，我們參與了多個實驗室的合作，也參與了NREL的實驗項目。"

　　“這篇協議論文的動機是為剛剛進入該領域的研究人員提供指導，同時為更有經驗的科學家描述微妙的技術技巧，"伯克利實驗室的材料工作科學家、該期刊文章的合著者弗朗西斯卡·托馬(Francesca Toma)說。“我們利用了兩個跨越基礎科學到應用科學領域的國家實驗室的特別優勢。"

　　這篇文章闡明了路徑，以便所有實驗室都能遵循一種統一的實驗實踐，從制造光電電極所需的材料開始。作者繼續詳細介紹了制造過程、實驗設置和測量太陽能轉氫(STH)效率的過程。研究人員指出，要準確描述STH效率，就需要直接測量PEC水分解產生的氫氣量。

PEC水分解過程示意圖

　　PEC水分解出現在1972年的科學出版物中。從那時起，研究人員不斷改進和完善這一過程，但到目前為止，還沒有建立起標準化的STH測量程序。NREL在1998年創下了效率超過10%(達到了12.4%)的個記錄，但在2016年，在一份出版物中，描述了在進行效率測量時要避免的常見陷阱，在意識到原始實驗被過度照明后，NREL向下修訂了這一數字。2017年，該團隊利用帶隙工程(Band Gap Engineering)設計了更優化的吸光器，以充分利用太陽光譜，最終產生了16.2%的STH，這在當時是一項新的世界紀錄。

　　美國能源部氫與燃料電池技術辦公室已將PEC水分解技術STH的最終目標定為25%，盡管初步成本分析表明，具有成本競爭力的氫能夠以較低的效率實現。光電電極的效率從10%到20%。

　　PEC的研究人員還在繼續致力于提高耐久性。用來捕捉陽光的半導體被浸泡在水(水基)電解質中。但由于電解液的pH值從酸性到堿性不等，電解液會腐蝕半導體，縮短其壽命。

　　“耐用性仍然是這項技術的一大要點，"Deutsch說。“已經取得了一些進展，但遠遠不及最近在提高效率方面取得的進展。"

　　Deutsch與他人合著了一篇新論文，同樣發表在《能源研究前沿》上，題為“光電化學水分解的長期穩定性指標"，文中描述了在清潔和可再生燃料發電中，實現同時高效穩定的無輔助PEC水分解是'圣杯'。這篇論文提供了一個進行長期穩定性實驗的框架，希望達到超高穩定性(持續時間超過10000小時)和大于15%的效率。

　　作為能源材料網絡的一部分，美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的氫和燃料電池技術辦公室成立了氫先進水分裂材料聯盟，資助了這項研究。

文章來源：全球氫能網

注：已獲得轉載權