研究人员通过利用水和光生产氢来开发更环保的化石燃料替代品

北卡罗来纳大学教堂山分校化学系的研究人员设计了硅纳米线，可以将水分解为氧气和氢气，从而将阳光转化为电能，这是一种更环保的化石燃料替代品。

五十年前，科学家们首次证明，利用半导体电极发光产生的电能，可以将液态水分解成氧气和氢气。尽管使用太阳能产生的氢气是一种很有前途的清洁能源形式，但低效率和高成本阻碍了商业太阳能制氢厂的引入。

一项经济可行性分析表明，使用由纳米颗粒制成的电极浆料代替刚性太阳能电池板设计可以大大降低成本，使太阳能生产的氢气与化石燃料竞争。然而，大多数现有的基于粒子的光活化催化剂，也称为光催化剂，只能吸收紫外线辐射，限制了它们在太阳光照射下的能量转换效率。

UNC-ChapelHill艺术与科学学院海德家族基金会化学教授JamesCahoon博士和他在该系的同事一直致力于化学合成具有独特物理特性的半导体纳米材料，这些材料可以实现一系列技术，从太阳能电池到固态存储器。Cahoon是2月9日发表在《自然》杂志上的研究结果的通讯作者。

Cahoon和他的团队设计了新的硅纳米线，在它们的轴上有多个太阳能电池，这样它们就可以产生分解水所需的能量。

“这种设计在以前的反应堆设计中是前所未有的，并且允许硅首次用于PSR，”Cahoon实验室的博士后研究员TaylorTeitsworth解释道。

硅吸收可见光和红外光。历史上，它一直是太阳能电池(也称为光伏电池和半导体)的首选，因为它具有这一特性和其他特性，包括其丰富性、低毒性和稳定性。凭借其电子特性，用硅颗粒无线驱动水分解的唯一方法是在每个颗粒中编码多个光伏电池。这可以通过在两种不同形式的硅(p型和n型半导体)之间生成包含多个界面(称为结)的粒子来实现。

此前，Cahoon的研究重点是自下而上合成和空间控制硅与硼的p型纳米线调制和磷的n型纳米线，以赋予理想的几何形状和功能。

“我们使用这种方法创建了一类新型的水分解多结纳米粒子。它们结合了硅的材料和经济优势以及直径小于吸收光波长的纳米线的光子优势，”Cahoon说。“由于导线连接处固有的不对称性，我们能够使用光驱动的电化学方法将助催化剂选择性地沉积到导线的末端以实现水分解。”