瑞士的研究人员展示了一种新的、高效的将水分解为氢气和氧气的方法。该方法将稳定的催化剂与高效的钙钛矿太阳能电池结合在一起。钙钛矿太阳能电池的主要缺点是会在几个小时后分解，但研究人员认为太阳能电池技术的进一步发展应该可以解决这个问题。
作为地球上最丰富的能源，太阳能对于使人类摆脱化石燃料的依赖极具吸引力，但实现这种转变却存在问题。捕获的能量必须储存起来直到需要时使用，而且由于最丰富的太阳能资源通常位于人烟稀少的地方，因此需要找到一种将其输送到人们的家庭和企业的方法。一种选择是利用太阳能将水分解为氢气和氧气。然而，为了使这一过程高效，需要两件事：一种能够降低分解水所需的活化能障碍的催化剂，足以使反应以足够快的速度进行；以及一种能够提供足够电压以克服该能量障碍的光伏电池。
传统太阳能电池使用硅作为光伏材料。由于硅相对便宜，因此此类设备的原材料也便宜。然而，硅是一种间接带隙半导体，这使得它对光的吸收效率不高，并且需要较厚的层。这种较厚的层不能通过溶液沉积，而必须从晶圆上切割下来。这使得硅太阳能电池的组装成本相当高，尽管随着自动化程度的提高，价格已经大幅下降。此外，传统硅太阳能电池的开路电压（当正负电极未连接时产生的电位差）被限制在约 0.75V 或更低，这意味着需要将三个甚至四个这样的电池串联起来才能驱动水的分解过程。这降低了过程的效率并增加了成本。较新的、更昂贵的太阳能电池，例如由多个堆叠结制成的太阳能电池，可以解决这个问题，但它们也会增加过程的成本。
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为钙钛矿供电
钙钛矿太阳能电池于 2009 年首次问世，此后一直是深入研究的主题。由于钙钛矿材料具有直接带隙，因此吸收光效率更高，只需要薄层，并且太阳能电池可以进行溶液处理，从而降低生产成本。在这项新研究中，位于洛桑的瑞士联邦理工学院的迈克尔·格雷策尔及其同事展示了一种利用 CH3NH3PbI3 作为活性材料的先进钙钛矿太阳能电池的水分解装置。该电池的效率为 17.3%，开路电压超过 1V，这意味着只需两个串联的电池就可以提供足够的水分解电压。目前，钙钛矿太阳能电池的稳定性很差，几个小时后就开始分解。首席作者罗景山表示，稳定这些电池的工作已经取得了一些进展。
研究人员将这些新型太阳能电池与一种高效的水分解催化剂结合使用，该催化剂由美国斯坦福大学戴宏杰的研究小组首次展示，包含镍铁层状双氢氧化物。戴的研究小组首先证明了该材料作为阳极氧析出反应的催化剂，罗为此目的制备了催化剂。然而，他偶然发现该材料也能很好地催化阴极的氢析出反应，从而无需第二种催化剂，并提高了电池的潜在成本效率。
美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳表示，包括他自己在内的多个研究小组已经使用光伏技术分解水。他说，这里的创新之处在于使用了钙钛矿太阳能电池。但他的结论是，“在钙钛矿电池甚至接近实现其可能的前景之前，还有很多研究工作要做”。
本文经《化学世界》许可转载。本文最初于2014 年 9 月 26 日首次发布。