Nature Energy：太阳能制氢技术的规模化应用

一、【科学背景】 

自1972年Fujishima和Honda使用二氧化钛光阳极展示了光电化学（PEC）水分解技术以来，该技术作为一种有前途的太阳能制氢（H₂）技术受到了广泛关注。对于PEC水分解技术的实际应用，除了固有的高太阳能制氢（STH）效率和在水性电解质中的良好稳定性之外，在不降低其性能的情况下扩大光阳极的规模至关重要。大多数报道的按比例放大的金属氧化物光阳极与小尺寸的相比表现出低得多的性能。例如，BiVO₄是一种代表性的光阳极材料，对于小尺寸（0.1-0.3 cm²）光阳极，其STH效率在6-8%范围内。然而，由于氟掺杂氧化锡（FTO）涂层玻璃基底的高电阻率和BiVO₄层的不均匀厚度，大尺寸（1-70 cm²）BiVO₄光阳极的STH效率仅为0.1-3%。

针对上述难点，韩国蔚山科学技术院研究人员制备了一种由镍箔/NiFeOOH电催化剂封装的三碘化甲醛铅(FAPbI₃)钙钛矿（PSK）基光阳极，具有良好的效率、稳定性和可扩展性。这种金属封装的FAPbI₃光阳极在1.23 V_RHE(其中V_RHE是相对于可逆氢电极的电压)下记录了22.8 mA cm^-2的光电流密度，并在模拟1个太阳照射下表现出优异的稳定性。本研究还通过将光阳极与相同尺寸的FAPbI₃太阳能电池并联连接，构建了全钙钛矿基无辅助光电化学水分解系统，其太阳能制氢效率为9.8%。最后，本文展示了将这些Ni封装的FAPbI₃光阳极扩大到123 cm²大尺寸，记录了8.5%的STH效率。

二、【科学贡献】

作者展示了用于大规模无辅助太阳能水分解的NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光阳极和全PSK封装（en）-PEC微型模块（2 × 2阵列，30.8 cm²）的示意图。

PEC–光伏（PV）系统中PSK太阳能电池使用FAPbI₃作为光吸收剂。为了开发一种可以浸入水中的FAPbI₃光阳极，作者在FAPbI₃薄膜上贴了一层优化厚度（25 μm）的镍金属箔，以完全阻止电解质渗透。此外，作者通过滴铸Ni和Fe前体溶液将作为析氧反应（OER）助催化剂的NiFeOOH沉积在Ni箔上，以制造金属封装的FAPbI₃（表示为NiFeOOH/Ni/FAPbI₃）光阳极。在1.23 V_RHE下，NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光阳极的光电流密度（J_ph）为22.82 mA cm^-2，这在所有报道的PSK光阳极中是具有优势的。

图1 NiFeOOH/Ni/FAPbI₃阳极和PEC系统。© 2023 Springer Nature

图2 n–i–p结构的FAPbI₃ PV电池的结构与性能。© 2023 Springer Nature

图3 n–i–p结构NiFeOOH/Ni/FAPbI₃阳极的性能。© 2023 Springer Nature

图4 NiFeOOH/Ni/FAPbI₃阳极微型模块的放大演示。© 2023 Springer Nature

在PCE反应器中，作者将NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光阳极和暗阴极（Pt丝）浸入电解质中。小尺寸（0.25 cm²）全PSK PEC-PV系统的太阳能转换效率为9.8%，与性能卓越的PSK光阳极或金属氧化物（金属氮化物）PEC-PV系统相当。之后，作者逐步将NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光阳极从0.25 cm²扩大到123.2 cm²，并展示了它们在实验室和户外阳光下的性能。按比例放大的（30.8-123.2 cm²）模块显示2小时的STH效率为8.5%，H₂和O₂具有近似的气体生产率，分别为128.9和64.5 μmol cm⁻² h⁻¹。此外，2 × 2阵列多反应器水分解系统（123.2 cm²）的优势在于电解液的连续流动和在单独的储槽中同时收集产生的气体。因此，该系统适用于在室外阳光下进行大规模太阳能产氢。

 三、【创新点】

该工作与以前的大面积PEC工程不同，在放大光阳极尺寸后，STH的效率（从9.8% (0.25 cm²)到8.5% (123.2 cm²)）没有太大损失。

四、【科学启迪】

本文通过增加单元电池尺寸、增加电池数量（多电池方法）和增加反应器数量（多反应器方法）将NiFeOOH/Ni/FAPbI₃光阳极从0.25 cm²扩大到123.2 cm²（扩大500倍），而STH效率没有太大降低（低于15%）。这些结果证明了在大电池光阳极中保持小电池的高STH效率的可能性。尽管放大的系统（123.2 cm²）中显示出8.5%的高STH效率，然而该STH效率对于实际的PEC制氢（H₂）技术来说仍然不够高。

原文详情：Hansora, D., Yoo, J.W., Mehrotra, R. et al. All-perovskite-based unassisted photoelectrochemical water splitting system for efficient, stable and scalable solar hydrogen production. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01438-x

本文由景行撰稿