一個完全由太陽能驅動，能夠從空氣中收集水並提供氫氣燃料的裝置幾十年來一直是研究人員的夢想。現在，EPFL化學工程師Kevin Sivula和他的團隊在使這一設想接近現實方面邁出了重要一步。他們開發了一個巧妙而簡單的系統，將基於半導體的技術與具有兩個關鍵特徵的新型電極相結合：它們是多孔的，以最大限度地與空氣中的水接觸；並且是透明的，以最大限度地使半導體塗層在陽光下暴露。

當該裝置簡單地暴露在陽光下時，它從空氣中獲取水分並產生氫氣。該成果於2023年1月4日發表在《先進材料》上。

該技術的革新之處在於新型氣體擴散電極是透明的、多孔的和導電的，使這種以太陽能為動力的技術能夠將水- 來自空氣中的氣體狀態變成氫燃料。

“為了實現一個可持續發展的社會，我們需要有辦法將可再生能源儲存為可以作為燃料和工業原料的化學品。太陽能是最豐富的可再生能源形式，我們正在努力開發具有經濟競爭力的方法來生產太陽能燃料，”EPFL光電納米材料分子工程實驗室的西武拉說，他是這項研究的主要研究者。

凱文-西武拉在他的實驗室。資料來源：Alain Herzog/EPFL

來自植物葉片的靈感

在研究人員對可再生無化石燃料的研究中，EPFL的工程師與豐田汽車歐洲公司合作，從植物能夠利用空氣中的二氧化碳將太陽光轉化為化學能的方式中獲得靈感。植物從其環境中收穫二氧化碳和水，並在陽光的額外能量的推動下，將這些分子轉化為糖和澱粉，這一過程被稱為光合作用。陽光的能量以化學鍵的形式儲存在糖和澱粉的內部。

由Sivula和他的團隊開發的透明氣體擴散電極，當塗上光收集半導體材料時，非常像一片人造葉子，從空氣和陽光中收集水以產生氫氣。陽光的能量以氫鍵的形式被儲存起來。但這種裝置的基底不是用傳統的對陽光不透明的層來構建電極，而是實際上是一個由毛氈玻璃纖維組成的3維網。

這項工作的主要作者Marina Caretti說：”開發我們的原型設備是具有挑戰性的，因為透明的氣體擴散電極以前沒有被證明過，我們必須為每個步驟開發新的程序。然而，由於每個步驟都相對簡單且可擴展，我認為我們的方法將為廣泛的應用打開新的視野，從用於太陽能驅動的氫氣生產的氣體擴散基板開始。”

從液態水到空氣中的濕度

Sivula和其他研究小組先前已經表明，通過使用一種被稱為光電化學（PEC）電池的裝置從液態水和陽光中產生氫燃料，有可能進行人工光合作用。一般來說，PEC電池是一種利用入射光刺激浸在液體溶液中的光敏材料（如半導體）來引起化學反應的裝置。但就實際用途而言，這一過程有其缺點，例如，製造使用液體的大面積PEC裝置很複雜。

Sivula想表明，PEC技術可以改用於收集空氣中的濕度，從而導致他們開發了新的氣體擴散電極。電化學電池（例如燃料電池）已經被證明可以用氣體而不是液體來工作，但是之前使用的氣體擴散電極是不透明的，與太陽能供電的PEC技術不兼容。

現在，研究人員正將他們的努力集中在優化該系統上。理想的纖維尺寸是多少？理想的孔徑大小？理想的半導體和膜材料是什麼？這些都是歐盟項目”Sun-to-X”正在研究的問題，該項目致力於推進這項技術，並開發將氫氣轉化為液體燃料的新方法。

製作透明的氣體擴散電極

為了製造透明的氣體擴散電極，研究人員從一種玻璃棉開始，它是一種石英（也稱為氧化矽）纖維，並通過在高溫下將纖維熔合在一起，將其加工成氈片。接下來，晶片被塗上一層透明的摻氟氧化錫薄膜，這種薄膜以其出色的導電性、堅固性和易於擴展而聞名。這些最初的步驟產生了一個透明、多孔和導電的晶圓，這對於最大限度地接觸空氣中的水分子和讓光子通過至關重要。然後，晶圓再次被塗層，這次是一層吸收陽光的半導體材料的薄膜。這第二層薄塗層仍然讓光通過，但由於多孔基質的大表面積而顯得不透明。就像現在這樣，一旦暴露在陽光下，這種塗層的晶圓已經可以生產氫燃料。

科學家們繼續建造了一個包含塗層晶片的小室，以及一個用於分離產生的氫氣以進行測量的薄膜。當他們的小室在潮濕的條件下暴露在陽光下時就會產生氫氣，實現了科學家們設定的目標，顯示出用於太陽能驅動的氫氣生產的透明氣體擴散電極的概念是可以實現的。

雖然科學家們在他們的演示中沒有正式研究太陽能到氫氣的轉換效率，但他們承認，對於這個原型來說效率相對不高，目前還不如在基於液體的PEC電池中實現得更好。基於所使用的材料，塗層矽片的最大理論太陽能-氫氣轉換效率為12%，而液體電池的效率已被證明高達19%。