纳米技术促进氢燃料生产

氢纳米技术汽油等基于碳氢化合物的燃料会造成污染和碳足迹。自20世纪70年代以来，氢一直被认为是化石燃料的良好替代品。但是氢的潜力还没有被实现，甚至部分原因是由于储存和商业生产的困难。关于氢等可再生能源的研究已经进行了好几年了。

氢的使用面临的困难

氢是一种更清洁的可再生能源，只要解决了安全储存和容易获取这两个问题。将氢固定成固体的传统方法并不十分成功。储存时吸收的氢量太少，而释放氢需要太高的加热或冷却等复杂的方法，这使其在商业上不可行。

旧金山—斯坦福大学的研究人员开发了一种生产氢燃料的方法，该方法排放量更少且更稳定。长期以来，氢燃料一直被吹捧为汽油的替代品，但由于缺乏加油站并且需要非零排放的生产过程，因此不切实际。

斯坦福大学材料科学与工程副教授崔毅说：“如果清洁氢燃料便宜且广泛可用，数百万辆汽车就可以使用它。”

为了解决二氧化碳排放问题，崔和他的同事们使用了光伏水分解——一种将太阳能电极浸入水中的新兴技术。当阳光照射到电极上时，它会产生电流，将水分解成其组成部分，即氢和氧。尽管如此，由硅制成的传统太阳能电极在暴露于氧气时会迅速腐蚀。

氢气是一种可再生能源，如果能够更便宜且更容易地进行生产，就可以在应对气候变化方面发挥重要作用。通常而言，“裂水制氢”(将水分解成氢和氧)是最可持续、也是最方便的方法，但有效地进行电解一直是一个挑战。

斯坦福大学的方法 使用了钒酸铋，这是一种廉价的化合物，可以吸收阳光，具有很高的抗腐蚀稳定性。钒酸铋发电量适中，但其性能“仍远低于其理论的太阳能-氢气转换效率，”崔在一份新闻稿中表示。

为了承载电流，由钒酸铋制成的太阳能电池必须为 200 纳米或更小，使其几乎透明。结果，可用于发电的可见光简单地穿过电池。为了在阳光逃逸之前捕获阳光，崔的团队转向纳米技术，并创建了包含数千个硅纳米锥的微观阵列，每个纳米锥高约 600 纳米。

“纳米锥结构在广泛的波长范围内显示出有前途的光捕获能力，”崔说。“每个锥体的形状都经过优化，可以捕捉原本会穿过薄太阳能电池的阳光。”

纳米锥阵列放置在钒酸铋薄膜上。然后将这两层放置在由钙钛矿制成的太阳能电池上，钙钛矿是另一种有前途的光伏材料。

当被淹没时，三层串联装置立即开始以 6.2% 的太阳能-氢转换效率分解水——钒酸铋电池的理论最大速率。

串联太阳能电池持续产生氢气超过 10 小时。崔说，该设备“未来有显着改进的空间”。