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UNIST研究人员创下仅靠阳光制氢效率新纪录

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全有机光电化学制氢模块在户外自然光下运行。

主要亮点：

Ø 韩国蔚山科学技术院（UNIST）研究人员开发了一种叠层有机光电极，仅靠阳光即可分解水制氢，太阳能制氢转换效率达到7.9%，创下已报道的无外加偏压有机半导体光阴极的最高纪录。

Ø 技术经济评估显示，在当前效率和日产氢10吨的条件下，制氢成本为每千克9.26美元；若效率达到16%的理论极限，并将日产量扩大至30吨，成本有望降至每千克4.26美元。

韩国蔚山科学技术院的研究人员开发了一种叠层有机光电极，无需任何外部电源，仅靠阳光即可从水中制取氢气。该装置的太阳能制氢转换效率达到7.9%，创下全球已报道的无外加偏压有机半导体光阴极的最高纪录。

这项研究由碳中和研究生院的Kim Jin-young教授与能源与化学工程系的Lee Jae-sung教授、Lim Han-kwon教授共同牵头开展。研究成果于9月6日在线发表于《应用催化B：环境与能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy）。

团队攻克的难题

有机半导体光电极可采用低温溶液涂布工艺制造，适合大面积制备，有助于降低成本。难点在于，单个吸光层无法产生分解水所需的最低1.23伏电压，因此此前需要外部电源。研究人员曾尝试将两层半导体堆叠以提高电压，但常用的层间连接材料PEDOT:PSS具有强酸性，容易吸收水分，并腐蚀相邻层。

UNIST团队以氧化钼和有机分子2PACz组成的混合连接层替代了原有材料。氧化钼不呈酸性，耐湿性良好，还能阻挡涂布上层半导体时使用的溶剂渗透。2PACz分子则可减少氧化物中的缺陷，并改善层间电荷传输。

性能与耐久性

面积为0.56平方厘米的光电极实现了1.67伏的起始电压，并在无需外部电源的条件下达到7.9%的太阳能制氢转换效率。连续运行10小时后，该装置仍保留初始光电流的86%；相比之下，采用传统层间连接材料的光阴极同期仅保留初始光电流的36%。

研究团队还制备了面积为320平方厘米的大面积模块，并在户外自然光下成功实现了无外加电压制氢。

成本与贵金属用量

为降低材料成本，团队将析氢电极中的铂含量降至质量分数约0.1%，并以镍铁钴化合物替代析氧电极中的贵金属催化剂。由于两种电极均在同一氢氧化钾溶液中工作，因此无需使用离子交换膜。

技术经济评估显示，在当前7.9%的效率和日产氢10吨的条件下，制氢成本估计为每千克9.26美元。由于有机体系的电极制造成本较低，其制氢成本可与转换效率约为10%的无机光电极体系相当。若将效率提高至16%的理论极限，并将日产量扩大至30吨，成本有望降至每千克4.26美元。

Kim教授表示：“我们解决了连接层的不稳定性和腐蚀问题，这些问题一直是叠层有机半导体电极面临的障碍。发挥有机半导体可通过溶液工艺加工的优势，将有助于降低绿氢生产成本。”

本研究获得了韩国科学技术信息通信部下属韩国国家研究基金会及蔚山科学技术院的支持。

翻译人：沈亚皓