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NREL:太陽能水分解制氫技術(shù)實(shí)踐指南

 更新時(shí)間:2022-11-17    點(diǎn)擊量:994

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光電極通過分解水來產(chǎn)生氫氣。照片:丹尼斯·施羅德,NREL


  來自美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)和勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的科學(xué)家們?yōu)檠芯咳藛T提供了一份指南,指導(dǎo)他們?nèi)绾魏饬恐苯永锰柲苌a(chǎn)氫氣的效率。


  光電化學(xué)(PEC)水分解法,依靠陽光將水分解成氧和氫元素,是潛在的最可持續(xù)的清潔能源途徑之一。然而,由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的方法,不同的實(shí)驗(yàn)室對同一系統(tǒng)的PEC過程效率的測量可能相差很大。發(fā)表在《能源研究前沿》上的實(shí)踐指南旨在為比較不同地點(diǎn)和不同群體獲得的結(jié)果提供參照。


  隨著研究人員繼續(xù)完善該技術(shù),該出版物為PEC社區(qū)提供了路線圖。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過使用相同的測試硬件、PEC光電電極和測量程序進(jìn)行循環(huán)測試,驗(yàn)證了這些實(shí)踐。對光伏的研究已經(jīng)允許了電池效率的認(rèn)證,但PEC的水分解效率測量還沒有一個(gè)被廣泛接受的協(xié)議。


  NREL的高級科學(xué)家Todd Deutsch說:“很難比較實(shí)驗(yàn)室之間報(bào)告的PEC水分解效率結(jié)果,因?yàn)槿藗儍A向于在不同的條件下進(jìn)行測量,"Todd Deutsch是新期刊文章的合著者,“《PEC的實(shí)踐:如何可靠地測量光電陰極的太陽能到氫的效率》。能源部早就意識到了這一點(diǎn),所以我們已經(jīng)做了很多努力來建立標(biāo)準(zhǔn),我們參與了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的合作,也參與了NREL的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。"


  “這篇協(xié)議論文的動機(jī)是為剛剛進(jìn)入該領(lǐng)域的研究人員提供指導(dǎo),同時(shí)為更有經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)家描述微妙的技術(shù)技巧,"伯克利實(shí)驗(yàn)室的材料工作科學(xué)家、該期刊文章的合著者弗朗西斯卡·托馬(Francesca Toma)說。“我們利用了兩個(gè)跨越基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的國家實(shí)驗(yàn)室的特別優(yōu)勢。"


  這篇文章闡明了路徑,以便所有實(shí)驗(yàn)室都能遵循一種統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐,從制造光電電極所需的材料開始。作者繼續(xù)詳細(xì)介紹了制造過程、實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測量太陽能轉(zhuǎn)氫(STH)效率的過程。研究人員指出,要準(zhǔn)確描述STH效率,就需要直接測量PEC水分解產(chǎn)生的氫氣量。


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PEC水分解過程示意圖


  PEC水分解出現(xiàn)在1972年的科學(xué)出版物中。從那時(shí)起,研究人員不斷改進(jìn)和完善這一過程,但到目前為止,還沒有建立起標(biāo)準(zhǔn)化的STH測量程序。NREL在1998年創(chuàng)下了效率超過10%(達(dá)到了12.4%)的個(gè)記錄,但在2016年,在一份出版物中,描述了在進(jìn)行效率測量時(shí)要避免的常見陷阱,在意識到原始實(shí)驗(yàn)被過度照明后,NREL向下修訂了這一數(shù)字。2017年,該團(tuán)隊(duì)利用帶隙工程(Band Gap Engineering)設(shè)計(jì)了更優(yōu)化的吸光器,以充分利用太陽光譜,最終產(chǎn)生了16.2%的STH,這在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)新的世界紀(jì)錄。


  美國能源部氫與燃料電池技術(shù)辦公室已將PEC水分解技術(shù)STH的最終目標(biāo)定為25%,盡管初步成本分析表明,具有成本競爭力的氫能夠以較低的效率實(shí)現(xiàn)。光電電極的效率從10%到20%。


  PEC的研究人員還在繼續(xù)致力于提高耐久性。用來捕捉陽光的半導(dǎo)體被浸泡在水(水基)電解質(zhì)中。但由于電解液的pH值從酸性到堿性不等,電解液會腐蝕半導(dǎo)體,縮短其壽命。


  “耐用性仍然是這項(xiàng)技術(shù)的一大要點(diǎn),"Deutsch說。“已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及最近在提高效率方面取得的進(jìn)展。"


  Deutsch與他人合著了一篇新論文,同樣發(fā)表在《能源研究前沿》上,題為“光電化學(xué)水分解的長期穩(wěn)定性指標(biāo)",文中描述了在清潔和可再生燃料發(fā)電中,實(shí)現(xiàn)同時(shí)高效穩(wěn)定的無輔助PEC水分解是'圣杯'。這篇論文提供了一個(gè)進(jìn)行長期穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的框架,希望達(dá)到超高穩(wěn)定性(持續(xù)時(shí)間超過10000小時(shí))和大于15%的效率。


  作為能源材料網(wǎng)絡(luò)的一部分,美國能源部能源效率和可再生能源辦公室的氫和燃料電池技術(shù)辦公室成立了氫先進(jìn)水分裂材料聯(lián)盟,資助了這項(xiàng)研究。



文章來源:全球氫能網(wǎng)

注:已獲得轉(zhuǎn)載權(quán)



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