跳动城乡网我们最近在Nature Energy上发表的文章讲述了我们首次尝试开发可扩展的光电化学(PEC)系统来生产绿色氢气。
根据我们的批判性评论(之前的评论文章;化学学会评论，2019)，实际太阳能制氢存在一些挑战。我们还发现，开发可行的实用PEC系统至少需要10%的效率，为此选择高效材料是首要标准。
到目前为止，人们已经研究了金属氧化物的光催化作用，但距离实际效率极限还很远。另一方面，光伏(PV 级)材料(硅、钙钛矿、硫属化物、III-V 级)在太阳能电池行业中已得到广泛应用。这种高效、可扩展的光伏级材料可以成为 PEC 应用的替代品。
很少有材料能够满足高效 PEC 应用的要求，而其他材料虽然高效，但无法满足包括效率、低成本和催化剂集成等主要标准。MHP材料具有PEC领域所需的优异光电特性和可调谐带隙;例如，金属卤化物钙钛矿(MHP)可以提供必要的光电流和光电压来在单个PEC电池中分解水并产生氧气和氢气。这种MHP材料还可以在大面积上扩展，包括微型模块和模块规模。
我们知道，这些材料只有一个挑战，那就是 MHP 在潮湿条件下的降解，因为 PEC 反应是在液体电解质中进行的。因此，在研究 PEC 反应时，我们必须重点关注使用金属封装或金属保护来稳定此类材料。考虑到这样的概念，我们选择了稳定的MHP材料应用于PEC领域。
主要目标
在我们的Nature Energy文章中，我们选择了高效材料(FAPbI 3作为 MHP)并进行了材料和薄膜分析，将该材料应用于 PEC 水分解中的高效光电极，效率至少为 10%，满足了主要目标。
在获得成功的实验结果后，我们对实验进行了完整的详细设计，初步结果是在小面积器件上成功实现了 9.89% 的效率。这样的结果促使我们检查大面积 PEC 装置的功效，因此，我们将这样的概念应用于大型 PEC 系统。
工作机制、底层组件、优点和特点
“我们的全钙钛矿 PEC 系统包括 FAPbI 3光电阳极，该阳极由使用镍金属箔作为封装和 NiFeOOH 作为催化剂层保护的 MHP 薄膜组成，”Dharmesh Hansora 博士说。“我们使用不同的金属箔优化了该光电阳极，并研究了深入的催化剂-电解质相互作用。在单反应器系统中使用连接到太阳能电池 (PEC-PV) 的光电阳极测试了小面积 FAPbI 3光电阳极 (0.25 cm 2 ) 。
“根据我们的初步结果，我们发现使用小面积器件的效率为 9.89%(接近 10%)。这是因为需要两种半导体材料或薄膜器件才能产生最大 2 电压来分裂 O 2 中的水分子然而，在PEC - PV系统中，PV组件必须保持在反应器外部。
“为了最大限度地降低系统复杂性，我们决定将这两个组件集成在单个PEC设备中，以避免额外使用光伏组件，这是我们系统的独特优势，并且可以降低系统成本。”
主要发现和独特性
如上所述，我们系统的独特优势是将多个组件集成在单个PEC设备中，以避免额外使用PV组件，从而最大限度地降低系统复杂性并降低系统成本。
另一个主要发现是在可扩展 PEC 系统中保持类似的性能。
这种可扩展系统的短期示范将导致 PEC 技术在室外条件下绿色氢气生产的实际应用。
该领域未来的研究和发展
Dharmesh Hansora 博士表示，通过光电极的集成，例如“将光阳极-光阴极结合在一起，选择更高效、更耐用的催化剂”，PEC 系统的效率和稳定性还有进一步提高的空间。
