莱斯大学的工程师们能以破纪录的效率将太阳光转化为氢气，这要归功于一种装置，它将新一代卤化物包晶半导体与电催化剂结合在一个单一、耐用、高成本效益和可扩展的装置中。这项新技术在清洁能源领域迈出了重要一步，可作为利用太阳能收集的电能将原料转化为燃料的各种化学反应的平台。

革命性的光反应器设计

阿迪提亚-莫希特（Aditya Mohite）的实验室专门从事化学和生物分子工程研究，是建造这种集成光反应器的领头人。该装置设计中的一个关键因素是防腐蚀屏障，它能有效地将半导体与水隔绝，同时又不妨碍电子转移。据发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的研究报告称，该装置的太阳能-氢气转换效率高达 20.8%，令人印象深刻。

莱斯大学莫希特研究小组及其合作者开发的光反应器实现了 20.8% 的太阳能-氢气转换效率。资料来源：Gustavo Raskosky/莱斯大学

奥斯汀-费尔（Austin Fehr）是一名化学与生物分子工程博士生，也是这项研究的主要作者之一，他强调了这项工作的重要性："利用阳光作为能源生产化学品是实现清洁能源经济的最大障碍之一。我们的目标是建立经济上可行的平台，生成太阳能衍生燃料。在这里，我们设计了一种能吸收光线并在其表面完成电化学分水化学反应的系统。"

这种装置被称为光电化学电池，因为光的吸收、转化为电能以及利用电能为化学反应提供动力都发生在同一个装置中。迄今为止，利用光电化学技术生产绿色氢气一直受到效率低和半导体成本高的阻碍。

样本视频中的四张系列静态图片，展示了莱斯大学的光反应器如何在模拟阳光的刺激下分裂水分子并产生氢气。资料来源：莫希特实验室/莱斯大学

费尔解释了他们发明的与众不同之处："所有这种类型的设备都只利用阳光和水产生绿色氢气，但我们的设备很特别，因为它的效率破了纪录，而且使用的半导体非常便宜。"

莫希特实验室及其合作者通过将他们极具竞争力的太阳能电池转化为反应器，利用收集到的能量将水分离成氧气和氢气，从而创造出了这一装置。他们必须克服的挑战是，卤化物过氧化物晶石在水中极不稳定，用于绝缘半导体的涂层最终不是破坏了它们的功能，就是损坏了它们。

Ayush Agrawal（左起）、Faiz Mandani 和 Austin Fehr 图片来源：Gustavo Raskosky/莱斯大学

"在过去的两年里，我们反反复复尝试了不同的材料和技术，"这项研究的合著者、莱斯大学化学工程师迈克尔-王（Michael Wong）说。

在漫长的试验未能取得预期效果后，研究人员终于找到了一个成功的解决方案。

Fehr说："我们的主要见解是，你需要两层屏障，一层用来阻挡水，一层用来在过氧化物层和保护层之间实现良好的电接触。我们的成果是无太阳能浓缩的光电化学电池中效率最高的，也使用卤化物包晶石半导体的光电化学电池中整体效率最高的。"

对于一个历来由昂贵得令人望而却步的半导体所主导的领域来说，这是一个创举，它可能代表了有史以来第一次实现这类设备商业可行性的途径。研究人员介绍说，他们的阻挡层设计适用于不同的反应和不同的半导体，因此适用于许多系统。

莫希特小组介绍说："我们希望这样的系统能成为一个平台，利用丰富的原料，只需阳光作为能量输入，就能驱动各种电子进行燃料形成反应。"

Fehr补充说："随着稳定性和规模的进一步提高，这项技术可以开启氢经济，改变人类从化石燃料到太阳能燃料的制造方式。"