新型光阳极材料与高效毛细法光电化学水分解的制氢技术

Left: Cellulose nanofiber (CNF) matrix coated with TiO2 thin films. Right: Schematic of capillary photoelectrochemical water splitting design.

长期以来,太阳能转化和应用研究一直是一个重要的课题。其中,通过光电化学进行水分解,将太阳能转化为氢能的技术受到越来越广泛的关注。在光电化学水分解的过程中,光能的吸收,电子和空穴的分离﹑传输,半导体和电解液的接触面积,是决定光能转化效率的关键因素。因此,诸多研究人员正在尝试通过改变光阳极材料的能带结构、增加光阳极表面积、提高电子空穴的分离和传输,来获得高光能转化效率。高孔隙率三维网状纳米结构材料则成为高性能光阳极的重要备选材料之一。

最近,美国威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的王旭东教授和美国农业部林产品实验室(USDA Forest Products Laboratory)蔡智勇博士及其团队的研究有了新的进展。他们以从木材中提取合成的纤维素纳米纤维(CNF)为模板,利用原子层气相沉积技术(Atomic Layer Deposition)将二氧化钛(TiO2)包裹于模板纤维之上,再通过氧气退火处理制备出一种高孔隙率三维网状结构二氧化钛纳米管,以此作为光阳极材料。值得注意的是,基于纤维素纳米纤维良好的亲水性以及多孔材料具备的毛细现象,该团队人员成功地模拟了植物蒸腾作用中水分的运输方式,并将这一过程运用到光电化学水分解中电解液的运输,从而开发出了一种新型毛细法光电化学水分解的制氢技术。

不同于传统的光电化学水分解制氢技术,该新型毛细法光电化学水分解技术不再需要将光阳极材料放置于电解液中,而是将大面积的光阳极材料放置于空气中,仅通过纤维素纳米纤维于电解液相连。通过毛细现象,电解液被源源不断地被“输送”到光阳极上。因此,这一过程不再受电解液的体积、深度的限制。同时,该技术有效地减少了电解液本身对光的折射和吸收。因此能大幅度提高光能的吸收和转化,以及单位时间内和电解液面积上的氢气产量。另外,由于光阳极表面只有非常薄一层电解液覆盖,水分解反应的动力学过程也得到了显著的提高。

测试结果表明,对于同一三维网状结构二氧化钛纳米管光阳极材料而言,该方法较之于传统的光阳极置于电解液中的方法,光电流密度有了明显增大。这一仿生型电化学水分解技术有望为大规模太阳能制氢系统提供一种全新高效的设计理念。