科学网—太阳能利用：铁锈和水制氢储能研究

    据phy.org网站2012年11月11日报道，瑞士洛桑联邦理工学院（Ecole Polytechnique Federale de Lausanne，EPFL）的研究人员可以利用铁锈和水反应，经过太阳能使水分解而获得氢气，使太阳能以氢气的形式储存起来。太阳能是一种用之不竭的天然资源，但是如何存储太阳能确实是一个令全世界科学家一直进行着不懈努力探索的难题。瑞士洛桑联邦理工学院的科学家正在开发一种可以将光能量转化为一种具有中性碳足迹的清洁燃料——氢气的技术。这项技术的关键组成部分实际上就是水和金属氧化物,如氧化铁也就是通常称之为铁锈的物质。洛桑联邦理工学院的Kevin Sivula和他的同事们有意地为自己提出了一些限制条件，研究不要昂贵难求的材料，必须在廉价材料和容易获得方面来考虑，使他们的研究成果是一种可伸缩的生产过程,而且在经济上是一种可行的方法，实现利用太阳能生产氢气。这种实验室阶段的研究成果已经在Nature Photonics（自然光子学）杂志发表，其中对利用太阳能制氢气的装置有详细描述。

    其实将太阳能转化为氢气的主意并非是一个新主意，研究人员已经为此进行研究有40余年了。在20世纪90年代，EPFL就已经和Michaël Grätzel一起加入到太阳能转化氢气研究的这场竞争之中了，与日内瓦大学的一位同事一起进行开发研究,Michaël Grätzel他发明了利用光电化学(PEC)串联太阳能电池，直接由水生产氢气的一项技术。他们的雏形共享相同的基本原理:一种染料敏化太阳能电池——也是由Michael Gratzel发明的——加上一种氧化物半导体。该设备是完全独立的。产生的电子是用来分解水分子并使产物（氢气和氧气）分开。在相同的液体中,该设备的2个不同的层因为光照射刺激都会产生电子;一个氧化物半导体则执行析氧反应,而一个染料敏化电池则释放出氢气。

最昂贵的部分就是玻璃板

     这个研究团队最新的原型关注解决PEC技术的突出问题即成本问题。洛桑联邦理工学院的Kevin Sivula说：“美国有个研究团队的研究成果令人印象深刻，已经达到12.4%的转化效率。从理论角度来看，这个系统是非常有趣的,但他们的方法产生成本昂贵，每生产10 cm²的表面就需要花费10000美金！因此EPFL科学家们一开始就为自己设定一个限制——仅使用那些能够负担得起的材料和技术。这种目标并非易事，但是他们成功了。Kevin Sivula解释说, 在他们的设备中最昂贵的材料就是玻璃板（glass plate）。就是效率很低，在1.4%和3.6%之间,当然与使用的模式有关系。尽管效率低，但此技术具有很大的潜力。随着他们比较便宜的基本理念，他们使用了氧化铁（iron oxide）,希望能在几年内达到10%的效率,生产成本不到80美元/m²。在这个价位上,EPFL科学家他们的太阳能制氢系统便可以与传统的氢生产（hydrogen production）方法展开竞争。履行析氧反应的半导体就是氧化铁，这是一种稳定和丰富的物质，对于铁的锈蚀问题目前还没有什么高招可以来应对。但是，Kevin Sivula也承认氧化铁是一种最糟糕的可用半导体。

硅强化纳米铁锈

    EPFL研究团队为什么要使用氧化铁，其实道理很简单，就是因为这种材料唾手可得。纳米结构、强化的氧化硅,覆盖着一层有1nm厚的氧化铝和氧化钴，这些处理优化了材料的电化学性能,但是仍然应用简单。“我们需要开发简单的制备方法,就像人们浸泡或涂饰材料一样。”该设备的第二部分是由一种染料和二氧化钛组成，这也是染料敏化太阳能电池的基本的组成部分。这第二层是让电子通过氧化铁获得足够的能量而转移到水电离产生的氢离子（H⁺）,发生下列离子反应2H⁺+2e^-=H₂,最终形成氢气。

一种杰出的潜能——高达16%

    发表在《自然光子学》（Nature Photonics）杂志的研究结果，阐述了近期在氧化铁与染料敏化二氧化钛性能方面的一个突破以及这两种技术的迅速发展情况。Kevin Sivula预测, 氧化铁的串联电池技术最终将能达到16%的效率,同时仍具有低成本,是颇具吸引力的方法之一。随着使其廉价地储存太阳能成为可能，EPFL开发的太阳能制氢系统，在未来很有可能上升为一种很有潜力的、可行的利用太阳能生产可再生能源系统。

更多信息请浏览：http://www.nature.com/nphoton/index.html OR

http://phys.org/news/2012-11-rust-solar-energy-hydrogen.html#nwlt