使用SiC从水中制造可再生能源

林雪平大学团队展示了纳米多孔3C-SiC如何有效地捕捉和收集紫外线和大部分可见光。

瑞典林雪平大学的研究人员开发出一种纳米多孔立方SiC材料，可以有效捕捉太阳能并分解水产生氢气。这项研究已经发表在《ACS Nano》杂志上。

林雪平大学的物理、化学和生物系高级讲师，同时也是这项研究的带头人Jianwu Sun说："我们需要新的可持续能源系统来应对全球能源和环境挑战，例如气候变化、二氧化碳排放量持续增加等。"

氢气的能量密度是汽油的三倍。氢燃料汽车可以利用燃料电池来发电并已经在市场上出售。当使用氢气产生能量时，唯一的产物是纯净水。然而目前制造氢气的最常用技术是依靠化石燃料，因此制造氢气时会产生二氧化碳，每生产1吨氢气就会排放9-12吨二氧化碳。

借助太阳能分解水分子来生产氢气是一种可持续方法，利用可再生资源产生氢气而不会导致二氧化碳排放。这种方法的主要优点是可以将太阳能转换为可以存储的燃料。

"传统的太阳能电池在白天产生能量，这些能量必须立即使用，或者储存在电池等地方。氢气是很有前景的能源，它可以像汽油、柴油等传统燃料一样储存和运输"，Jianwu Sun说。

但是，利用阳光中的能量分解水以产生氢气并不是一件容易的事。要想成功，就必须找到性价比高、性能合适的材料，并且可以通过水电解将水分解为氢和氧。

阳光中可用于分解水的能量主要以紫外线和可见光的形式存在。因此，需要一种能够有效吸收这种辐射以产生电荷的材料，该电荷可以被分离并且具有足够的能量将水分子分裂成氢气和氧气。

到目前为止，大多数已经被研究的材料要么对可见光太阳光的能量利用效率低下，例如TiO ₂仅吸收紫外线，要么不具备将水分解为氢气所需的特性（例如，硅）。

Sun Jianwu的研究小组研究了立方SiC，即3C-SiC。科学家们制造出了一种具有许多极小孔隙的3C-SiC形式，称其为纳米多孔3C-SiC，这种材料可利用阳光从水中产生氢气。本研究已经发表在《ACS Nano》杂志上，研究人员表明，这种新型多孔材料可以有效地捕捉和收集紫外线和大部分可见光。

此外，多孔结构促进了具有所需能量的电荷的分离，而小孔则赋予了更大的活性表面积。这增强了电荷转移，增加了反应位点的数量，从而进一步提高了水分解效率。

"我们研究的结果表明，纳米多孔3C-SiC具有更高的电荷分离效率，这使得水分解成氢气的效果比使用平面SiC时要好得多"，Sun Jianwu说。

参考文献：

'Nanoporous Cubic Silicon Carbide Photoanodes for Enhanced Solar Water Splitting' by Jing-Xin Jian et al; ACS Nano, published online 19 February 2021

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