|
瑞士與以色列科學家成功製造出目前效率最高的金屬氧化物光陽極(photoanode)，能應用於光電化學電池(photoelectrochemical cell, PEC)中，利用陽光分解水來產生氫氣。此研究精確地找出PEC使用的金屬氧化物奈米結構的特徵，將有助於未來研發效率更高的太陽電池。
太陽能分解水(solar water splitting)能提供乾淨的再生能源，因此研究人員積極尋找有效的光電極材料。其中，赤鐵礦(haematite，主要為氧化鐵)具有相當高的太陽能-氫氣理論轉換效率(14-17%)，換算成對應的光電流則可達11-14 mA/cm2。不過，科學家尚未完全了解此材料中的缺陷如何影響轉換效率，以及為何某些赤鐵礦電極效率比其他的好。
為了解決這些問題，洛桑聯邦理工學院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)的Michael Graetzel與以色列理工學院(Israel Institute of Technology)的Avner Rothschild攜手合作，研究赤鐵礦中的單一奈米結構如何影響光分解轉換效率。團隊成員Scott Warren表示，一個數公分大的水分解光電極含有數十億個奈米結構，而過去的研究多著重於整體結構與性質，該團隊卻證明了個別奈米結構間存在重大的差異，就是這些個別差異性影響了分解水的效率。
該團隊利用自已研發的合成技術製作出具有最高水分解效率的赤鐵礦奈米結構，並利用它來打造光電極，結果產生高達4 mA/cm2的光電流，這不僅是赤鐵礦材料的紀錄，更是所有金屬氧化物光陽極的新紀錄。
他們採用穿透式電子顯微術探討單一奈米結構與光電流的關係，發現結構缺陷會嚴重影響光電流。他們也證實某些奈米結構極適合作為分解水之用，而上述刷新記錄的奈米結構的特徵在於結構內的所有赤鐵礦晶體排列呈現相同方向，這使得電子能在材料內快速移動。
Warren認為此研究將有助於製作更佳的太陽電池及燃料電池，不過還有許多工作尚待完成。雖然赤鐵礦在光分解應用上優於其他同等材料，但其效能仍可望持續提升。該團隊計畫持續探討赤鐵礦奈米結構的特徵，並試圖找出其他限制太陽能分解水效能的可能因素。詳見Nature Materials｜doi:10.1038/nmat3684。 |