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給“人造樹葉”穿上石墨烯的外衣

德國亥姆霍茲聯合會(HZB)的Thomas Schedel-Niedrig教授領導的研究團隊近期研發了一種太陽能轉化效率高達12%的“人造樹葉”,也就是一種多層膜結構的超薄型太陽能電池。這個多層膜結構的太陽能電池的工作原理非常簡單,将其放入水中,再用光照射,就可以把水分解成氫氣和氧氣,從而将太陽能以氫氣的形式儲存起來。但是該電池也存在一些問題。一是必須有充足的光照才能提供足夠大的電壓來将水分解。二是用于制作太陽能的半導體材料不能長時間工作于酸性環境中。

為了應對這些問題,科學家們決定給太陽能電池加上一層透明的、導電性良好的、穩定的保護層。作為保護層的材料要選擇哪一種呢?研究人員将目光鎖定于目前非常火的二維材料——石墨烯。石墨烯雖然已經成為人們研究的熱點,但是在電化學上成功應用的案例卻并不多。此次,科學家們将其作為有機物的保護層,大大提高了太陽能的轉化效率。研究人員還觀察到,長時間的反應後轉化效率也沒有退化,依然能夠維持在12%。

該研究團隊研發的太陽能電池還有另外一個亮點,那就是催化劑的二次使用。該團隊的一個博士生Anahita Azarpira解釋道:“制作樣本時,首先在半導體矽上生成碳氫原子鍊,然後沉積催化劑二氧化钌的納米顆粒,從而形成一個3-4nm厚的穩定的導電聚合物層。”二氧化钌納米顆粒在反應過程中發揮了兩次作用。第一次是為有效的有機物的發展提供了保護層,使原本複雜的化學反應簡單化;第二就是發揮了作為催化劑的本質作用,加速了水分子的分解。該研究成果已經發表在Advanced Energy Materials。

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