用于绿色制氢的可扩展光电化学系统

如果使用太阳能或其他可再生能源实现，水分解可能是大规模可持续生产氢气(H 2 )的一种有前途的方法。然而，迄今为止提出的大多数光电化学水分解系统被发现效率低下、不稳定或难以大规模实施。

蔚山国立科学技术研究所 (UNIST) 的研究人员最近着手开发一种可扩展且高效的光电化学 (PEC) 系统来生产绿色氢气。他们提出的系统，在Nature Energy中概述，基于创新的甲脒三碘化铅 (FAPbI 3 ) 钙钛矿型光阳极，由 Ni 箔/NiFeOOH 电催化剂封装。

“我们的小组彻底研究了与实际太阳能制氢相关的挑战，”UNIST 能源与化学工程教授、该论文的合著者 Jae Sung Lee 告诉 Tech Xplore。“正如我们最近的综述论文中所总结的那样，开发可行的实用 PEC 系统需要至少 10% 的太阳能制氢 (STH) 效率，为此选择高效材料是首要标准。”

迄今为止，大多数实现光电化学制氢的尝试都采用本质稳定的金属氧化物作为PEC电池的光电极材料。然而，这些系统所产生的效率远远低于其实际应用所需的效率。

因此，一些研究人员一直在探索基于光伏 (PV) 级材料(例如硅、钙钛矿、硫属化物和 III-V 材料类别)的光电极的潜力。虽然这些材料以其卓越的效率而闻名，但它们有时可能很昂贵且不稳定，特别是如果放置在水中，就像将它们引入 PEC水分解电池中一样。

“与其他光伏级材料不同，金属卤化物钙钛矿(MHP)具有高效率、低成本的独特特性，如果其稳定性问题得到妥善解决，可以成为替代光电极材料，”Lee说。“MHP 材料具有优异的光电特性和可调节的带隙，需要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。”

为了设计基于 MHP 的有效光电极，研究人员首先必须应对一个关键挑战，即在潮湿条件和紫外线下保持其稳定性。为了实现这一目标，他们尝试使用金属封装或金属保护技术并采用紫外线稳定的 FAPbI 3钙钛矿来稳定它们。

“实际应用的另一个挑战是可扩展性，或者换句话说，在实际大规模实施(1 m 2 )中保持实验室单元(< 1 cm 2 )的高效率，”Lee 说。“在我们的研究中，我们选择了效率和稳定性方面最先进的 MHP 材料 (FAPbI 3 )，并将其封装在沉积有 NiFeOOH 催化剂的厚镍箔 (30 μm) 中，以保护水中的 MHP 并促进水分解的析氧反应,”

研究人员首先基于尺寸低于 1cm 2的光电极创建了他们提出的系统的小型版本。在初步测试中，这个实验室规模的系统实现了 9.89% 的 STH 效率和长期稳定性。