太阳能把水变成氢燃料

电子显微图像是纳米树或“三维枝杈纳米线阵列”。增加绿色色调是为了进行对比。 来源：加州大学

美国加州大学圣迭戈分校（University of California, San Diego）的电气工程师正在制作一种微小的纳米线树木森林，以便清洁地捕捉太阳能，不使用化石燃料，而是用太阳能生产氢燃料。研究报告发表在2012年1月24日的《纳米尺度》（Nanoscale）杂志上，题为《3D分支纳米线异质结构光电极用于高效太阳能水解制氢》（3D branched nanowire heterojunction photoelectrodes for high-efficiency solar water splitting and H2 generation）。研究小组说，纳米线的制备采用丰富的天然材料，如硅和氧化锌（zinc oxide），这也提供了一种廉价的方法，可以大规模生产氢燃料。

“这是一种清洁的方式，可以产生清洁燃料，”王德利（Deli Wang）说，他是加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院（Jacobs School of Engineering）电气工程和计算机系的教授。

王德利说，这种纳米树木的垂直结构和树枝很关键，可以最大限度地捕捉太阳能。他说，这是因为树木的垂直结构会捕捉和吸收阳光，而平坦的表面只会反射光线，他补充说，这也类似人眼视网膜的感光细胞。在太空拍摄的地球图像中，光线反射反映出平坦的表面，如海洋或沙漠，而森林就显得更暗。

王德利的研究小组模仿这种结构，他们的“三维枝杈纳米线阵列”（3D branched nanowire array）采用了一种工艺，称为光电化学（photoelectrochemical）水解，可以产生氢气。分解水所指的过程可以把水分离成氧和氢，提取氢气作为燃料使用。这项工艺使用清洁能源，没有温室气体副产品。相比之下，目前的传统制氢方式依靠化石燃料供电。

采用垂直纳米树结构，可以利用更多的太阳光线，王德利研究小组已经开发出一种方法，可有效地生产更多氢燃料，相比之下，平面结构只会使光反射出表面。 来源：加州大学。

“与化石燃料相比，氢被认为是清洁燃料，因为没有碳排放，但是，目前使用的氢的生产并不清洁，”电气工程博士研究生孙柯（Ke Sun）说，他领导这个项目。

采用垂直纳米树结构可以利用更多的太阳光线，王德利研究小组已经开发出一种方法，可有效地生产更多氢燃料，相比之下，平面结构只会使光反射出表面。王德利也属于加州电信和信息技术研究所（California Institute of Telecommunications and Information Technology），以及加州大学圣迭戈分校材料科学和工程项目。

孙柯说，垂直分支结构也可最大限度地提高氢气产量。例如，在一锅开水的宽阔表面，气泡必须变得很大，才能上升到表面。而在纳米树结构中，非常小的氢气泡也可以提取，而且快得多。“此外，采用这种结构，我们使化学反应的表面积至少提高了40万倍，”孙柯说。

在这个实验中，纳米树电极浸在水中，用模拟太阳光照亮，可测量设备的电力输出。 来源：加州大学。

从长远来看，王德利的研究小组目标更大：就是人工光合作用。光合作用中，植物吸收阳光，也吸收空气中的二氧化碳（CO2）和水，合成碳水化合物（carbohydrates），以促进自身的生长。王德利研究小组希望能模仿这一过程，也从大气中吸收二氧化碳，减少二氧化碳排放，并把它转化成碳氢燃料。

孙柯说：“我们正在努力模仿植物的功能，把阳光转换成能量。我们希望，在不久的将来，我们的纳米树结构最终可以成为高效设备组件，作用就像真正的树木，可进行光合作用。”

这一小组还研究替代材料，要取代氧化锌，氧化锌可吸收阳光中的紫外线，但有稳定性问题，会影响纳米树结构的使用寿命。