净化联氨突破太阳能制氢效率极限
国内研究团队开发出一种光电化学（PEC）系统，在净化有毒工业废弃物的同时，还能生产清洁能源——氢气。其核心在于，将一直被视为制约氢气生产瓶颈的缓慢氧析出反应（OER），替换为有毒废弃物的氧化反应，从而显著提升效率。
韩国研究财团20日表示，Ajou University的Jo Inseon教授研究团队开发出一种新型系统，可在选择性氧化有毒工业废弃物肼的同时，大幅提高基于太阳能的PEC制氢效率。由于这一技术能够在同一工艺中同时实现废弃物净化与氢气生产，因此备受关注。
具有取向排列和分级多孔结构的 Ti 掺杂赤铁矿光电极与基于联氨氧化的 PV-PEC 制氢概念图。通过多次生长和火焰退火工艺，实现了具有 (110) 晶向取向和分级多孔结构的 Ti 掺杂赤铁矿 (Fe2O3) 光阳极，并将其应用于联氨氧化反应 (HzOR) 与析氢反应 (HER) 相结合的 PV-PEC 体系的概念示意。研究团队提供
View original image利用太阳光直接从水中制取氢气的PEC技术，一直被视为零碳排放的下一代环保能源技术。然而在实际系统中，由于氧析出反应速率缓慢，以及光阳极材料电荷传输与分离性能较低，效率提升面临结构性瓶颈。尤其是一直因低成本、高稳定性而备受瞩目的赤铁矿（α-Fe₂O₃），受限于这些物性约束，在实用化方面困难重重。
研究团队开发出结合多次溶液生长与高温火焰退火的“MGFA工艺”，制备出晶体取向高度排列、具有层级多孔结构的赤铁矿光阳极。通过缩短电荷传输路径并最大化反应界面，他们在无助催化剂条件下，实现了水氧化反应超过100小时的稳定运行。
在此基础上，研究团队将原本作为PEC系统瓶颈的氧析出反应，替换为对高毒性工业废弃物肼的快速氧化反应，即“肼氧化反应（HzOR）”。通过这一策略，在相同电位下显著提高光电流，有效绕过了限制氢气生产效率的反应势垒。
在将上述光阳极与商用硅太阳能电池结合形成的无外加偏压PV-PEC串联系统中，在仅依靠太阳光、无需外部电源的条件下，实现了太阳能—氢气转换效率（STH）8.7%。这是目前基于氧化铁的PV-PEC系统中处于最高水平的成果，证明了利用低成本材料可以同时实现环境净化与高效制氢。
Jo Inseon教授表示：“本研究表明，可以在将有毒废弃物转化为能源的同时生产氢气，在同一系统中同步实现环境净化与清洁能源生产，提出了一条新的发展方向，意义重大。”
本研究在科学技术信息通信部和韩国研究财团资助的中坚研究项目支持下完成，研究成果已于本月8日在线发表在纳米与微结构材料领域国际学术期刊《Nano-Micro Letters》上。
论文题目为《利用具有晶体取向排列与层级多孔结构的Ti掺杂赤铁矿光阳极实现无外加偏压太阳能制氢（Textured and Hierarchically Porous Ti-Doped Hematite Photoanodes Enabled by Multiple Growth and Flame Annealing for Efficient Unassisted Solar Hydrogen Production）》。
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