密歇根大學的研究人員展示了一種人工光合作用裝置，其效率是以前同類裝置的10倍的同時體積是以前的百分之一。這種綠色的氫氣生產方法也會隨著時間的推移而改進，並且可以分離海水。

地球是一個以太陽能為動力的星球；地球上生命所需的絕大部分能量來自於太陽–而其中的很多能量，包括食物和化石燃料都是基於植物的光合作用的結果–將陽光、水和二氧化碳轉化為氧氣和醣類。光合作用的第一個化學步驟發生在使葉子呈現綠色的葉綠素中–這個步驟實際上是一個將水分離的操作，將H2O分解成氧氣，釋放到空氣中，以及帶正電荷的氫離子，這些氫離子驅動著整個過程的其餘部分，最終使植物能夠以碳水化合物的形式儲存能量。

進化在光合作用中提供了非凡的禮物，隨著人類努力擺脫化石燃料的有害副作用，研究人員正在努力複製，甚至改進這第一步，希望開發出人工光合作用技術，一些人預測這將最終成為生產綠色氫氣的最廉價方式，作為能源儲存介質使用。

密歇根大學電氣和計算機工程系教授Zetian Mi說：”最終，我們相信人工光合作用設備將比自然光合作用更有效，這將提供一條通往碳中和的道路。”

Mi和他的團隊剛剛在《自然》雜誌上發表了一篇論文，他們認為這是人工光合作用的一個重大飛躍。該團隊展示了一種新的光催化分水半導體，它利用包括紅外光譜在內的廣泛的太陽光，以9%的效率分水–比其他同類設備幾乎提高了10倍–而且它是一個微小的、相對實惠的設備，能隨著時間的推移而改進而不是退化。

該裝置使用一個窗口大小的透鏡來集中陽光進行測試Brenda Ahearn/密歇根大學

“與一些只在低光強度下工作的半導體相比，我們將半導體的尺寸縮小了100多倍，”電氣和計算機工程的研究員、該研究的第一作者周鵬說。”由我們的技術生產的氫氣可能非常便宜”。

這項由麻省理工學院的獨立半導體團隊發明的新技術使用集中的太陽光–這是許多其他人工光合作用裝置所沒有的選擇，因為高強度的光和高溫往往會導致它們分解，但是一種由生長在矽表面的氮化鎵銦納米結構製成–不僅能極好地承受光和熱，它實際上隨著時間的推移提高了氫氣生產效率。

由生長在矽表面的氮化鎵銦納米結構製成的光催化劑表現出自愈特性，可以承受相當於160個太陽的集中陽光照射

其他系統的目的是避免發熱，而這個裝置卻依賴於發熱。半導體吸收較高頻率的光，為其分水過程提供動力，它被放置在一個有水流過的腔室內。較低頻率的紅外光被用來將腔體加熱到大約70°C（158°F），這加速了分水反應，同時也抑制了氫分子和氧分子在被單獨收集之前重新結合成水分子的趨勢。

在使用純淨水的理想化實驗室測試中，該設備達到了9%的效率，如果使用市政自來水，可以達到約7%。而在模擬大規模光催化水分離系統的戶外測試中，由變化廣泛的自然陽光供電，它的效率為6.2%。

這些光催化效率數字落後於我們報導過的一些光電化學設備，如澳大利亞國立大學的電池為17.6%，或莫納什大學的設備為破紀錄的22%。但是這些設備由於其性質而顯得更加昂貴，它們使用光伏電池為電化學分水提供動力；美國能源部對氫氣生產的最終技術目標是，光電化學系統的效率為25%，雙床光催化系統的效率為10%–根據2011年的計算，這兩種方法的氫氣成本約為2.10美元/公斤（2.2磅）。

該團隊表示，當暴露在強烈的陽光和高溫下時，該設備的獨特半導體會得到改善，而不是退化。

也許最令人興奮的是，密歇根大學設備對自來水的7%的效率數字在分離海水時也是如此。淡水遠不是一種無限的資源；它在許多地區已經嚴重短缺，而且人們普遍預計它在未來幾十年將變得更加稀少和珍貴。因此，一種能夠從海水中提取氫氣而不需要除陽光以外的任何外部能量輸入的光催化裝置可能是脫碳時代的一個真正的遊戲規則改變者。

該團隊表示，它正在努力提高進一步研究的效率，以及所產生的氫氣的純度，但這裡開發的部分知識產權已經被授權給密歇根大學的衍生公司NS Nanotech和NX Fuels。

“我們使用的材料，”Mi說，”氮化鎵和矽，也可以大規模生產，我們可以利用目前的基礎設施，在未來進行低成本的綠色制氫。”

一如既往，決定這一設備命運的將是商業可行性。綠色氫氣必須具有成本競爭力，不僅與使用甲烷氣體生產的骯髒氫氣相比，還要與廉價的化石燃料本身相比，如果它要在規模上發揮作用。這種方法確實依賴於一些稀有金屬，如鎵和銦，但由於所需的半導體尺寸很小，這裡的成本衝擊就大大降低了。我們期待著看到它在工業應用中的表現。

這項研究發表在《自然》雜誌上。