Nat. Commun. | “尖峰”结构实现高效的光催化制氢

由于氢燃料唯一排放物是水蒸气，所以是一种清洁能源。但是，氢气是通过加热蒸汽和甲烷产生的，而这一过程本身会产生二氧化碳排放。其中，利用太阳能驱动的生产过程不会增加碳排放，但其成本高昂且效率低下。

水分解装置

如今，这种情况可能会随着改进的半导体设备而改变。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员使用该设备使用阳光从水分子中分离氧气（Nat. Commun.，doi：10.1038/s41467-021-24229-y）。 该设备的材料和工艺制造成本低，并且利用的工艺已经广泛用于半导体制造电子设备。实验表明其在运行时具有出色的稳定性。

太阳能水分解通常利用光电化学电池进行。与太阳能电池不同，这些电池使用半导体材料来吸收光子并产生自由电子和空穴，这对于激发和分裂水分子至关重要。由于光电化学电池需要长时间浸入水中，因此必须经久耐用。由于硅在水分解反应下会降解，因此光电极通常涂有绝缘保护层。然而，这些保护层会阻止光电极和水之间的电子和空穴的流动，从而降低了效率。

在这项新研究中，科学家们使用了一种铝尖峰的结构。具体的加工工艺包括用铝涂覆绝缘半导体，之后对其加热以创建穿过绝缘层的纳米级通路。最后，研究人员用镍填充通路以形成导电桥，从而提高水分解效率并催化析氧反应，并同时保障半导体的耐用性。

改进的半导体结构主要是利用水分解中的析氧反应，从而去除电子以形成氧气。完全分裂水分子包括析氢反应，以产生氢气。研究人员计划将继续提高系统的效率作为下一步的研究重点。

该设备类型所涉及的关键流程可以非常快速地在工业制造中实施。然而，考虑到商业可行性仍然需要对其进行一些改进。目前，研究人员为这项新技术申请了专利，并预计其在未来实现商业化。