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来源：斯坦福大学 翻译：徐寒易 编译：马宏 斯坦福大学（Stanford University）一个实验室的人员开发了一些新技术，用来解决世界能源问题中的两个重大挑战：交通运输所需的清洁燃料以及电网规模的储能。 这些研究分别发表在这个月的《科学进展》（Science Advances）和《自然通讯》（Nature Communications）上。 氢燃料 一直以来，氢燃料被吹捧成可以替代汽油的清洁能源。去年，汽车制造商开始向美国消费者售卖氢动力车，但是销售情况不佳。这主要是因为加氢站很少，而相隔距离又远。 斯坦福材料科学和工程学副教授 Yi Cui 表示，“如果清洁的氢燃料价格便宜，而且获取方便的话，它是可以为几百万汽车供能的。“ 和排放二氧化碳的汽油动力汽车不同，氢能源汽车本身是零排放的。但是，氢燃料的制造过程并不是零排放的。目前，制造氢燃料的过程需要用到天然气，这会向大气排放二氧化碳。 为了解决这个问题，Cui 和同事主要采用了光伏分解水制氢法。这个新兴技术利用插入水中的光电极分解水。照射到光电极上的阳光会产生电流，该电流会将水分解成它的两个构成成分：氢气和氧气。 找到一种价格合理的方式来用水制造清洁氢气是一个难点。传统的太阳能电极是用硅制造的，接触到氧气后会迅速腐蚀，而后者是水分解的主要副产物。一些研究团队采用铱和其他贵金属包裹硅，以减少腐蚀。 在发表在《科学进展》的论文中，Cui 和同事描述了一个用钒酸铋制氢的新方法。钒酸铋是一种廉价化合物，它能吸收阳光，产生少量电力。 “人们普遍认为，钒酸铋是有潜力实现光电化学分解水的材料。部分原因是因为它的成本低，而且抗腐蚀，”SLAC 国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）光子学副教授 Cui 表示，“但是，这种材料的实际性能总是比它的理论太阳能-氢转换效率低很多。” 钒酸铋能够吸收光，但是导电性不强。想要导电的话，用钒酸铋制造的太阳能电池必须被造得非常薄，厚度要小于200纳米甚至更低。但是这么做的话，它就会变得透明，本来用来产生电力的阳光就会径直穿透电池。 为了在阳光溜走前把它留住，Cui 的团队借助了纳米技术。研究人员用数千个硅纳米锥制造了细密的阵列，每个硅纳米锥大概只有600纳米高。 “硅纳米锥的结构对各种波长的光的捕获能力很强，“Cui 解释道，“每个硅纳米锥都被设计成最完美的形状，用来捕获穿透薄薄的太阳能电池的阳光。” 在实验中，Cui 和同事把硅纳米锥阵列排列在一层钒酸铋薄膜上。这两层材料然后被覆盖在钙钛矿制造的太阳能电池上。钙钛矿是另一种很有潜力的光伏材料。 当这三层串联装置被浸入水中时，它马上就开始分解水。其太阳能-氢转换效率达到了6.2%，这已经达到了钒酸铋电池的理论最大值。 “该串联太阳能电池可以连续10小时制氢，这说明它的稳定性非常好，“斯坦福大学材料与能源科学所的课题组负责人 Cui 表示，“虽然我们的转换效率只有6.2%，但是我们的串联设备在未来有非常大的提升空间。” 充电锌电池 在发表在《自然通讯》的论文中，Cui 和来自日本丰田中央研发实验室（Toyota Central R&D Labs Inc.）的访问学者 Shuogo Higashi 提出了一种新的电池设计，它可以解决电网规模的能量存储问题。 “太阳能和风能发电厂应该能够为电网提供不间断的供能，即使在没有阳光或风的时候，”Cui 表示，“这就需要价格低廉的电池以及其他成本较低的技术，它们要足以储存过剩的清洁能源，以备用户在需要时使用。” 在这项研究中，Cui、Higashi 和其他同事用锌镍电极设计了一种有电网规模的能量存储潜力新型电池，而锌和镍都是价格便宜的金属。 市面上已经出现了许多锌金属电池，但是其中极少能够重复充电，因为在充电过程中锌电极上会生长出被称为枝状晶体的极细纤维。这些枝状晶体会一直生长，直到和镍电极相连，这会导致电池短路、失去功能。 该研究团队通过重新设计电池的方式解决了枝状晶体的问题。他们不让锌和镍电极像传统电池那样面对面放置，而是用塑料绝缘体将其隔开，并用碳绝缘体包裹锌电极的边缘。 “在我们设计的电池中，锌离子减少了，而且在充电过程中，它们会聚集在锌电极裸露的背面，”该研究的第一作者 Higashi 表示，“因此，即使锌的枝状晶体生长，它们也不会接触镍电极，因此不会减少电池寿命。” 为了展示这个设计的稳定性，研究人员成功地让该电池充电并放电超过800次，且没有发生短路的情况。 Cui 表示，“我们的设计非常简单，而且可以应用到许多种类的金属电池中。” 原文链接：https://www./releases/2016/06/160617160352.htm 相关论文： Y. Qiu, W. Liu, W. Chen, W. Chen, G. Zhou, P.-C. Hsu, R. Zhang, Z. Liang, S. Fan, Y. Zhang, Y. Cui. Efficient solar-driven water splitting by nanocone BiVO4-perovskite tandem cells. Science Advances, 2016; 2 (6): e1501764 DOI: 10.1126/sciadv.1501764 |
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