赵川教授、Kylie Catchpole教授， AEM 新记录：非贵金属材料太阳能制氢效率20%- 大数跨境

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赵川教授、Kylie Catchpole教授， AEM 新记录：非贵金属材料太阳能制氢效率20%

科学材料站

2021-08-01

导读：该文章研发了一种太阳能集成水分解系统，由镍基电催化剂和串联钙钛矿电池组成，实现了创纪录的20%的太阳能制氢效率。

文章信息

非贵金属材料实现20%太阳能制氢效率

第一作者：王媛，Astha Sharma

通讯作者：赵川*，Siva Karuturi*, The Duong*

单位：澳大利亚新南威尔士大学，澳大利亚国立大学

研究背景

虽然直接太阳能驱动的水分解已被研究作为低成本制氢的一项重要技术，但迄今为止所展示的系统要么需要昂贵的材料，要么表现出较低的太阳能到氢气 (STH) 转换效率——两者都增加了水平氢气成本（LCOH）。

直接太阳能制氢是生产低成本可再生氢气的一种很有前景的方法，因为太阳能可用于直接驱动水分解氧化还原反应，无需单独的发电和电解槽系统以及复杂的电力基础设施。对不同直接太阳能制氢系统的技术经济分析表明，提高太阳能到氢气 (STH) 转换效率对于减少水平氢气成本（LCOH）很重要。

为此，美国能源部 (DOE) 设定了到 2020 年使用低成本材料将 STH 效率提高到 20% 的目标，以确保大规模直接太阳能制氢的经济可行性。虽然目前已经报道了高达 19% 的 STH 效率，但这些系统总是依赖于使用昂贵的半导体和/或贵金属催化剂，降低了它们在实际太阳能制氢中的经济可行性。

本篇报道中，我们实现了一种低成本材料系统，该系统由钙钛矿/硅串联半导体和镍基催化剂组成，用于直接太阳能制氢。所得的集成水分解电池实现了创纪录的 20% 的 STH 效率。对集成系统的详细分析表明，通过对钙钛矿电池进行实际改进，可以实现 25% 的 STH 效率，并且可以将LCOH 降低至约 $3/Kg。

文章简介

本文中，来自澳大利亚新南威尔士大学的赵川教授与澳大利亚国立大学的Kylie Cathpole教授和Siva Karuturi博士合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Direct Solar Hydrogen Generation at 20% Efficiency Using Low-Cost Materials”的文章。

该文章研发了一种太阳能集成水分解系统，由镍基电催化剂和串联钙钛矿电池组成，实现了创纪录的20%的太阳能制氢效率。

图1. 使用钙钛矿串联硅太阳能电池集成电催化剂系统直接分解水达到STH效率20.01%。

本文要点

要点一：花瓣-花茎状镍基电催化剂的合成

我们成功合成了基于 NiMo 的析氢反应催化剂，该催化剂具有创新的类似“花茎”形态的高密度“花状”纳米片和“茎状”纳米线在三维泡沫镍金属骨架上均匀生长成，具有增强的反应位点，在 10 mA cm-2 下具有 6 mV 的非常低的反应过电位。

这种形态可以通过毛细管力改善电解质-催化剂的相互作用，并减少气相产物的粘附，从而增强反应动力学。“花状”纳米片通过“茎状”纳米线紧密连接到泡沫镍的表面，提供显着增强的可及表面积以及良好的质量传输和电子转移性能。

图2. “花瓣” – “花茎”状镍钼电催化剂。

要点二：串联钙钛矿太阳能电池的合成

我们开发了一种钙钛矿太阳能电池，通过优化钙钛矿成分和改进的表面钝化实现了前所未有的 1.271 V 高开路电压 (Voc)。

首先为了在使用镍基电极的集成系统中实现独立的太阳能制氢，我们以两端 (2-T) 串联配置制造了钙钛矿和硅电池。钙钛矿电池带隙优化为 1.72 eV，接近于 ~1.7 eV 的理想顶部电池带隙，以在串联配置中实现与 Si 底部电池的电流匹配并获得最大 STH 效率。

使用 3D 钙钛矿光吸收剂 (Rb0.05Cs0.095MA0.1425FA0.7125PbI2Br) 制造半透明钙钛矿太阳能电池。为了实现高光电压，活性钙钛矿层的表面用由长烷基链组成的有机阳离子正十二烷基溴化铵 (C12H28BrN) 钝化。

与之前报道的具有更短烷基链的正丁基溴化铵 (C4H12BrN) 相比，具有长烷基链的有机阳离子表现出更好的表面钝化。与钙钛矿薄膜和由正丁基溴化铵钝化的钙钛矿薄膜相比，正十二烷基溴化铵钝化钙钛矿薄膜中的光致发光（PL）强度和载流子寿命显着提高了。

图3. 串联钙钛矿太阳能电池示意图。

要点三：集成水分解系统创20%效率记录

集成系统的运行性能可以通过将串联钙钛矿-硅串联电池的 J-V 曲线与双电极催化剂系统的 LSV 曲线叠加来计算。该集成系统实现了 20.0% 的显着 STH 效率，用于无辅助太阳能水分解。集成系统的 STH 转换效率的公式计算：

要点四：太阳能制氢效率的经济分析

我们按照先前报道的方法使用Nernst 和 Butler-Volmer 方程建模分析了集成系统的 STH 效率，以了解可以实际实现的进一步效率增强。

我们的分析表明，基于 STH 效率为 20% 的当前成本估算可以实现 4.1 美元/公斤的 LCOH。仅改进钙钛矿电池可以将 STH 效率提高近 25%。结合未来光伏电池板和膜成本的降低，可以实现 2.3 美元/公斤的 LCOH，这为实现廉价的可再生氢提供了绝佳的机会。

文章链接

Direct Solar Hydrogen Generation at 20% Efficiency Using Low-Cost Materials

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101053

通讯作者介绍

赵川教授，澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales，UNSW）化学院终身教授。

皇家澳大利亚电化学会主席，澳大利亚研究委员会Future Fellow，英国皇家化学会会士（FRSC），澳洲皇家化学会会士（FRACI），皇家新南威尔士会会士（FRSN）。2002年，西北大学博士毕业，2002－2006年在德国奥尔登堡大学（Carl von Ossietzky Universität Oldenburg）化学系从事博士后研究工作，2006－2010年澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）化学院ARC绿色化学中心任高级研究员。

赵川教授的研究兴趣包括纳米电化学技术及其在清洁能源中的应用。近年来发表高水平SCI论文百余篇，包括多篇以通讯作者发表的Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. 以及热点论文和高引用频率排行论文。其科研成果多次被包括新华社在内的国际主流新闻媒体报道，获国际发明专利5项、澳大利亚发明专利5项，多项成果商业化，其制氢项目2016年入选中国科技部首个海外高科技火炬创新园。

https://www.chemistry.unsw.edu.au/staff/chuan-zhao

Kylie Catchpole 澳大利亚国立大学电气、能源和材料工程研究学院的教授。

她的研究兴趣在于太阳能电池和太阳能燃料以及更广泛的能源转型。她获得了多项奖学金，包括澳大利亚研究委员会的未来奖学金，她还获得了澳大利亚科学院颁发的首届约翰布克工程科学奖。她一直是世界光伏能源转换大会和亚太太阳能研究大会的全体发言人。她的作品曾出现在《科学》杂志和《经济学人》的新闻版块以及许多其他一般媒体报道中。

https://researchers.anu.edu.au/researchers/catchpole-kr