瑞士的研究人員展示了一種新的、高效的將水分解為氫氣和氧氣的方法。該方法將穩定的催化劑與高效的鈣鈦礦太陽能電池結合在一起。鈣鈦礦太陽能電池的主要缺點是會在幾個小時後分解，但研究人員認為太陽能電池技術的進一步發展應該可以解決這個問題。
作為地球上最豐富的能源，太陽能對於使人類擺脫化石燃料的依賴極具吸引力，但實現這種轉變卻存在問題。捕獲的能量必須儲存起來直到需要時使用，而且由於最豐富的太陽能資源通常位於人煙稀少的地方，因此需要找到一種將其輸送到人們的家庭和企業的方法。一種選擇是利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣。然而，為了使這一過程高效，需要兩件事：一種能夠降低分解水所需的活化能障礙的催化劑，足以使反應以足夠快的速度進行；以及一種能夠提供足夠電壓以克服該能量障礙的光伏電池。
傳統太陽能電池使用矽作為光伏材料。由於矽相對便宜，因此此類裝置的原材料也便宜。然而，矽是一種間接帶隙半導體，這使得它對光的吸收效率不高，並且需要較厚的層。這種較厚的層不能透過溶液沉積，而必須從晶圓上切割下來。這使得矽太陽能電池的組裝成本相當高，儘管隨著自動化程度的提高，價格已經大幅下降。此外，傳統矽太陽能電池的開路電壓（當正負電極未連線時產生的電位差）被限制在約 0.75V 或更低，這意味著需要將三個甚至四個這樣的電池串聯起來才能驅動水的分解過程。這降低了過程的效率並增加了成本。較新的、更昂貴的太陽能電池，例如由多個堆疊結制成的太陽能電池，可以解決這個問題，但它們也會增加過程的成本。
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為鈣鈦礦供電
鈣鈦礦太陽能電池於 2009 年首次問世，此後一直是深入研究的主題。由於鈣鈦礦材料具有直接帶隙，因此吸收光效率更高，只需要薄層，並且太陽能電池可以進行溶液處理，從而降低生產成本。在這項新研究中，位於洛桑的瑞士聯邦理工學院的邁克爾·格雷策爾及其同事展示了一種利用 CH3NH3PbI3 作為活性材料的先進鈣鈦礦太陽能電池的水分解裝置。該電池的效率為 17.3%，開路電壓超過 1V，這意味著只需兩個串聯的電池就可以提供足夠的水分解電壓。目前，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性很差，幾個小時後就開始分解。首席作者羅景山表示，穩定這些電池的工作已經取得了一些進展。
研究人員將這些新型太陽能電池與一種高效的水分解催化劑結合使用，該催化劑由美國斯坦福大學戴宏傑的研究小組首次展示，包含鎳鐵層狀雙氫氧化物。戴的研究小組首先證明了該材料作為陽極氧析出反應的催化劑，羅為此目的製備了催化劑。然而，他偶然發現該材料也能很好地催化陰極的氫析出反應，從而無需第二種催化劑，並提高了電池的潛在成本效率。
美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室的約翰·特納表示，包括他自己在內的多個研究小組已經使用光伏技術分解水。他說，這裡的創新之處在於使用了鈣鈦礦太陽能電池。但他的結論是，“在鈣鈦礦電池甚至接近實現其可能的前景之前，還有很多研究工作要做”。
本文經《化學世界》許可轉載。本文最初於2014 年 9 月 26 日首次釋出。