Nature Energy：太陽能制氫技術的規模化應用

一、【科學背景】?

自1972年Fujishima和Honda使用二氧化鈦光陽極展示了光電化學（PEC）水分解技術以來，該技術作為一種有前途的太陽能制氫（H₂）技術受到了廣泛關注。對于PEC水分解技術的實際應用，除了固有的高太陽能制氫（STH）效率和在水性電解質中的良好穩定性之外，在不降低其性能的情況下擴大光陽極的規模至關重要。大多數報道的按比例放大的金屬氧化物光陽極與小尺寸的相比表現出低得多的性能。例如，BiVO₄是一種代表性的光陽極材料，對于小尺寸（0.1-0.3 cm²）光陽極，其STH效率在6-8%范圍內。然而，由于氟摻雜氧化錫（FTO）涂層玻璃基底的高電阻率和BiVO₄層的不均勻厚度，大尺寸（1-70 cm²）BiVO₄光陽極的STH效率僅為0.1-3%。

針對上述難點，韓國蔚山科學技術院研究人員制備了一種由鎳箔/NiFeOOH電催化劑封裝的三碘化甲醛鉛(FAPbI₃)鈣鈦礦（PSK）基光陽極，具有良好的效率、穩定性和可擴展性。這種金屬封裝的FAPbI₃光陽極在1.23 V_RHE(其中V_RHE是相對于可逆氫電極的電壓)下記錄了22.8 mA cm^-2的光電流密度，并在模擬1個太陽照射下表現出優異的穩定性。本研究還通過將光陽極與相同尺寸的FAPbI₃太陽能電池并聯連接，構建了全鈣鈦礦基無輔助光電化學水分解系統，其太陽能制氫效率為9.8%。最后，本文展示了將這些Ni封裝的FAPbI₃光陽極擴大到123 cm²大尺寸，記錄了8.5%的STH效率。

二、【科學貢獻】

作者展示了用于大規模無輔助太陽能水分解的NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光陽極和全PSK封裝（en）-PEC微型模塊（2 × 2陣列，30.8 cm²）的示意圖。

PEC–光伏（PV）系統中PSK太陽能電池使用FAPbI₃作為光吸收劑。為了開發一種可以浸入水中的FAPbI₃光陽極，作者在FAPbI₃薄膜上貼了一層優化厚度（25 μm）的鎳金屬箔，以完全阻止電解質滲透。此外，作者通過滴鑄Ni和Fe前體溶液將作為析氧反應（OER）助催化劑的NiFeOOH沉積在Ni箔上，以制造金屬封裝的FAPbI₃（表示為NiFeOOH/Ni/FAPbI₃）光陽極。在1.23 V_RHE下，NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光陽極的光電流密度（J_ph）為22.82 mA cm^-2，這在所有報道的PSK光陽極中是具有優勢的。

圖1 NiFeOOH/Ni/FAPbI₃陽極和PEC系統。? 2023 Springer Nature

?

圖2 n–i–p結構的FAPbI₃ PV電池的結構與性能。? 2023 Springer Nature

?

圖3 n–i–p結構NiFeOOH/Ni/FAPbI₃陽極的性能。? 2023 Springer Nature

?

圖4 NiFeOOH/Ni/FAPbI₃陽極微型模塊的放大演示。? 2023 Springer Nature

在PCE反應器中，作者將NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光陽極和暗陰極（Pt絲）浸入電解質中。小尺寸（0.25?cm²）全PSK PEC-PV系統的太陽能轉換效率為9.8%，與性能卓越的PSK光陽極或金屬氧化物（金屬氮化物）PEC-PV系統相當。之后，作者逐步將NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光陽極從0.25 cm²擴大到123.2 cm²，并展示了它們在實驗室和戶外陽光下的性能。按比例放大的（30.8-123.2 cm²）模塊顯示2小時的STH效率為8.5%，H₂和O₂具有近似的氣體生產率，分別為128.9和64.5 μmol?cm^?2?h^?1。此外，2 × 2陣列多反應器水分解系統（123.2 cm²）的優勢在于電解液的連續流動和在單獨的儲槽中同時收集產生的氣體。因此，該系統適用于在室外陽光下進行大規模太陽能產氫。

?三、【創新點】

該工作與以前的大面積PEC工程不同，在放大光陽極尺寸后，STH的效率（從9.8% (0.25?cm²)到8.5% (123.2?cm²)）沒有太大損失。

四、【科學啟迪】

本文通過增加單元電池尺寸、增加電池數量（多電池方法）和增加反應器數量（多反應器方法）將NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光陽極從0.25 cm²擴大到123.2 cm²（擴大500倍），而STH效率沒有太大降低（低于15%）。這些結果證明了在大電池光陽極中保持小電池的高STH效率的可能性。盡管放大的系統（123.2 cm²）中顯示出8.5%的高STH效率，然而該STH效率對于實際的PEC制氫（H₂）技術來說仍然不夠高。

原文詳情：Hansora, D., Yoo, J.W., Mehrotra, R. et al. All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01438-x

本文由景行撰稿