瑞士洛桑联邦理工学院一化学科研团队日前发明了可以从空气中收集水并生产氢的技术设备，这是一种将半导体技术与新型电极相结合的系统，利用太阳能实现“空气制氢”，整个流程零排放。尽管关键材料和整体转换效率还有待进一步改进，但对于氢能闭环循环、高效转化的“制、储、运、用”全链条发展提供了新思路。
原型机可扩展且易于制造
洛桑联邦理工学院光电纳米材料分子工程实验室的化学工程师、首席研究员凯文·西沃拉领导的研究团队在国际期刊《先进材料》发表了研究成果，革新之处在于发明了一个新型气体扩散电极，这种电极透明、多孔且易导电，使得以太阳能为动力的技术能够将来自空气中的气态水转化为氢。
据了解，原型机的形状类似一片叶子，基地由毡制玻璃纤维组成的三维网格，其上涂了一层光收集半导体材料，因此有别于传统的对阳光不透明的电极层，这个“人造叶子”同时拥有半导体技术和新型电极的关键优势，透明性使其可以最大限度地暴露于阳光中，多孔性使其可以最大程度地与空气中的水接触。
西沃拉的研究团队建造了一个测试室，将“人造叶子”置于潮湿和充沛阳光之中，从空气和阳光中收集水生产氢气，相当于将阳光的能量以氢的形式储存起来。
西沃拉指出，这个新型气体扩散电极利用了光电化学电池（PEC）技术，其可制成直接储能的光电化学蓄电池，成为一种既能转换太阳光能又能进行能量储存的多途径转换太阳能的光电化学器件，而且半导体在电解液中界面液体结容易形成，可以广泛应用多晶、薄膜型半导体材料，因而具有制作工艺简便、价格低廉等特点。
目前来看，这个“人造叶子”是一个巧妙且简单的系统，可扩展且易于制备，但在实际应用中仍存在缺点，包括制造使用液体的大面积PEC设备较为复杂。
植物光合作用触发灵感
据了解，西沃拉的研究团队是从植物的光合作用中获取的灵感，其在进行可再生燃料的研究中发现，利用PEC技术从液态水和阳光中产生氢，是一种很有前途的人工光合作用材料。
新加坡国立大学教授汪磊指出，自然界的光合作用是万物生存的基石，人工光合作用的目标则是通过更简单的化学反应让太阳能或其他可持续能源以更快、更高效的方式转化成能量密度更高、应用更广泛的化学能源。也就是说，人工光合作用的终极目标就是直接利用太阳能，将水和二氧化碳转化产出液体燃料，同时确保成本经济性。
对此，西沃拉研究团队的成员之一、研究报告的主要撰写者玛丽娜·卡雷蒂表示：“实际上，我们开发原型机就面对了诸多挑战，包括必须为每一个步骤开发新的程序，但由于每一个步骤都相对简单且可扩展，这一科研成果仍然为更低的成本设计和制造更高效的人工光合作用设备指明了新方向。”
关键材料技术有待突破
不过，这个“空气制氢”的技术目前转换效率尚不确定，仍处于技术探索和经验积累阶段。因此，虽然原型设备和技术概念已经完成，但仍需要在关键材料方面实现进一步突破，才能具备推广价值和商业化落地。
据悉，原型机目前只能稳定工作大约一个小时，西沃拉的研究团队正在集中精力优化系统，包括完善纤维尺寸、改善孔径大小、测试半导体和膜材料等。
但即便如此，这个“空气制氢”概念仍然被视为绿色制氢技术的一个重要里程碑，因为只要在阳光充足、湿度足够的地方即可实现，甚至除了利用空气中的气态水，地下水、雨水、处理垃圾过程中得到的水都可以加以利用。该研究团队表示，实际上，如果不考虑成本和效率问题，即便是中学生也可以在室外完成这一制氢过程。目前的制氢技术会消耗大量能源，因此更绿色、更高效的制氢方式一直是业内追求的目标。成本方面，只有低于“灰氢”“蓝氢”“绿氢”的生产成本，才能凸显出“空气制氢”的商业价值。
英国物理学会杂志《物理世界》撰文称，瑞士化学科研团队提出的“空气制氢”技术一旦实现商业化推广，将在家庭供暖、汽车供电方面发挥关键作用。
“可持续的、低碳的社会，需要将可再生能源转化并储存为化学物质，以用作工业染料和原材料，我们的目标是寻求可实现商业化且具有经济竞争力的清洁能源生产方式。”西沃拉强调。
