革命性太陽能技術：低成本、高效能氫氣生產新突破

來自英國倫敦帝國學院和倫敦瑪麗女王大學的研究團隊，在《自然能源》期刊上發表了一項具有里程碑意義的研究成果。這項研究揭示了一種利用低成本有機材料高效且穩定地生產氫氣的新方法，有望徹底改變我們生成和儲存清潔能源的方式。

這項研究解決了太陽能轉化為氫氣系統中的一個長期難題：有機材料（如聚合物和小分子）在水中的不穩定性，以及關鍵介面能量損失導致的效率低下。為此，研究團隊開發了一種多層裝置架構，將有機光活性層與功能化的石墨片結合，並使用鎳鐵催化劑進行保護。這種創新設計實現了前所未有的高效能與耐久性，為該領域樹立了新的標竿。

「我們的研究證明，使用低成本、可擴充套件的有機材料，可以實現高效且穩定的太陽能水分解，」倫敦瑪麗女王大學綠色能源講師弗盧林·艾斯納博士表示。他領導了該專案中有機光活性層的開發工作。「有機材料在光吸收和電氣特性等方面具有高度可調性，這意味著它們可以成為一個極具多樣性的平臺，用於構建各種將太陽能轉化為燃料（如氫氣）甚至化學物質的方式，模擬植物的自然光合作用。這為可持續燃料和化學品生產開闢了令人興奮的新途徑。」

在這項研究中，新裝置在+1.23 V的條件下實現了超過25 mA cm^-2的光電流密度，用於水氧化反應——這是利用太陽能將水分解為氫氣和氧氣的關鍵步驟之一。這一成果代表著重大突破，超越了以往的系統。與早期設計在數小時內即降解不同，新系統展現了數天的操作穩定性。這種設計支援多種有機材料，為未來的太陽能技術創新提供了靈活性。

為了實現這些成果，研究團隊採用了體異質結有機光活性層，並整合了功能化的自黏石墨片，使用豐富的鎳鐵氫氧化物催化劑。石墨不僅保護了光活性層免受水誘導的降解，還保持了高效的電氣連線。

「除了我們有機裝置的記錄效率和穩定性外，我們的結果還釐清了裝置中不同元件在降解過程中的貢獻，這一直是該領域的重大挑戰，」該研究的第一作者、帝國學院化學工程系的馬蒂亞斯·達博齊博士表示。「我相信，我們的見解和指導方針將對進一步提高此類有機光電化學裝置的穩定性和效能，邁向實際應用具有重要價值。」

這項突破的潛力在完整的水分解裝置中得到了進一步展示，這些裝置能夠僅憑水和光生成氫氣，無需額外的電力。他們實現了5%的太陽能轉化為氫氣的效率，這一成就可能顯著加速離網氫氣生產技術的應用。

「這一結果是有機光電化學裝置效能的重大改進，達到了創紀錄的太陽能轉化為氫氣的效率，」帝國學院化學工程系的首席學者薩爾瓦多·埃斯拉瓦博士表示。「這種方法利用了體異質結有機材料的優勢，提供了令人印象深刻的光電流、光電壓、豐富的元素和易於加工的特性，並將其應用於光電化學電池的電極。」

這項研究的成果預計將推動該領域的進一步發展，為實際應用鋪平道路。研究團隊計劃在此基礎上繼續探索材料穩定性的改進，並將這項技術擴充套件到工業規模。