几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找利用太阳能制氢的关键反应方法，即如何将水分子分解为氢和氧。虽然大部分努力以失败告终，少数结果也面临成本过高的尴尬。德克萨斯大学奥斯汀分校的一个研究小组仍然设法找到了一种低成本的“半”解决方案。

在最近发表在《自然通讯》期刊上的一篇文章中，学校的研究人员找到了一种利用阳光有效地将氧分子与水分离的方法。

早在1970年代，研究人员就已经提出了利用太阳能生产氢气的可能性。然而，由于无法找到有效催化的特殊材料，这种方法长期以来一直没有普及。

光电阳极的几何结构和功能示意

科克雷尔工程学院电气和计算机工程教授 Edward Yu 说：“你需要有效地吸收太阳能，同时确保材料在水解反应过程中不会降解。”

事实证明，在水分解反应所需的条件下，善于吸收阳光的材料往往不够稳定，稳定的材料往往对阳光的吸收能力较差。

研究图一：金属-绝缘体-半导体光阳极示意图

这些矛盾使得研究人员不得不在很多方面做出妥协。但是通过将多种材料组合到一个设备中，可以有效地解决这种冲突。

在这种情况下，研究团队结合了一种可以有效吸收太阳能的材料（如硅），辅以另一种稳定性更好的材料（如二氧化硅）。

研究图片 2：Al 尖峰后电阻变化

在实践中，这带来了另一个挑战——要在硅中吸收太阳能产生的电子和空穴，它必须能够轻松穿过二氧化硅层。

一方面，这意味着层厚度不超过几纳米。另一方面，它会降低其保护硅吸收剂免于降解的有效性。

研究图 3：Ni 电沉积的表征

好消息是，研究团队找到了一种方法，可以通过厚二氧化硅层创建导电路径。新的解决方案可以低成本使用并扩展到大规模生产过程。

为此，Edward Yu 和他的团队率先将这项新技术应用于半导体电子芯片制造工艺中。

二氧化硅层涂有铝薄膜，然后整个结构用于形成铝“尖峰”阵列，完全桥接二氧化硅层。然后它可以很容易地被镍或其他有助于催化水分解的材料所取代。

当暴露在阳光下时，这些设备可以有效地使水形成氧分子，同时在单独的电极上产生氢气，并在长期运行中表现出出色的稳定性。

研究图5：不同模型的电位分布模拟

更好的是，由于用于制造这些器件的技术已广泛应用于半导体电子产品的制造，因此新器件的批量生产也将相当容易扩大。

目前，该团队已经提交了临时专利申请，希望尽快将该技术商业化。

研究图片 6：尖峰 Ni / SiO2 / P+n-Si 光电极的 PEM 表征和模拟

这项研究的详细信息已发表在《自然通讯》杂志上。