國際期刊《Energy & Environmental Science》近期報導了赤鐵礦研究的科學突破，赤鐵礦能夠透過光電化學水分解的技術將太陽能轉化為氫氣，並被視為重要且具有潛力的能源材料。這項研究由以色列理工學院(Technion)材料科學與工程學院的Avner Rothschild教授與GTEP計畫的博士生Yifat Piekner等人進行。
太陽能對生活的重要性顯而易見，如果能夠利用它來滿足我們的需求，化石燃料與石油和天然氣等污染物就不再需要被使用。使用太陽能的主要挑戰在於陽光的可用性會隨著時間和季節產生變化，由於電網在白天和黑夜都需要穩定地供電，因此太陽能的使用取決於其儲存能力。不過問題在於已知的電能儲存形式—電池—並不適用於城市、社區、工廠的電力供應。此外電池的儲存能量只足夠維持數小時，長時間供電的需求仍舊無法解決。
太陽能儲存問題的可能解決方法是使用光電化學太陽能電池將太陽能轉化為氫氣。這些電池類似於將太陽能轉化為電能的光伏電池，不過它們不是產生電能而是利用其中產生的電能（電流×電壓）產生氫氣。這種能量將用於光電化學水分解，並利用太陽光的能量將水分子直接分解成氫和氧。氫氣相較電力的優勢在於它容易儲存，並且可以在需要發電時才被使用，例如為使用燃料電池的電動汽車提供動力。在這種情況下，燃料電池將可以取代特斯拉汽車和類似車輛中笨重且昂貴的電池，還可用於住宅和工業供熱，以及氨和其他原材料的生產。氫作為燃料的優勢在於其生產和消耗只產生氧氣和水，並不涉及任何溫室氣體的排放。
光電化學電池的主要挑戰是在鹼性或酸性電解質中開發高效且穩定的光電極，水在這種化學環境中可以有效地被分解為氫和氧。光電極吸收太陽發射的光子，並利用它們的能量產生電荷載體以產生氫和氧。矽是光伏電池中使用的半導體材料，不過由於它在電解質中不穩定所以無法用於這種光電極。這就是開發使用赤鐵礦作為光電極的光電化學電池的原因。赤鐵礦是一種氧化鐵，其化學成分與鐵鏽相似。它的價格低廉、穩定且無毒，且具有適合分解水的特性。不過赤鐵礦的缺點在於其理論能量產率與裝置中實際達到的產率存在差距。儘管進行了數十年的研究，赤鐵礦設備中的光子轉換成氫的效率仍不到該材料理論極限的一半。相比之下，矽太陽能電池中光子的轉換效率就非常接近其理論極限。在這項研究中Rothschild教授帶領的研究團隊對最近發表在國際期刊《Nature Materials》上的研究成果進行補充，並對這個謎團提出解釋。研究成果表示，赤鐵礦吸收的光子會產生局部電子躍遷，而電子被侷限在赤鐵礦晶體中的特定原子位置，進而使它們無法產生用於水分解的電流。細節可參考該校網頁：https://www.technion.ac.il/en/2021/04/43804/
Yifat Piekner在David Ellis博士以及內蓋夫本古里安大學資深講師Daniel Grave博士的幫助下一同開發新的分析方法，並首次測量到 1. 不同波長光子被材料吸收後，產生移動和局部電子躍遷的量子效率（Quantum efficiency in the generation of mobile and localized electronic transitions）以及2.電子電洞分離效率(Electron-hole separation efficiency)。以前僅能同時測量赤鐵礦晶體中光學與電學性質的共同效應，而這項研究是首次能夠分別測量光與電的特性。分別測量光學與電學性質的技術有助於深入了解影響將太陽能轉化為氫或電的能源效率的因素。除了應用價值外，這項突破更為相關電子材料中光與物質相互作用的研究開闢新徑。
資料來源：
https://www.technion.ac.il/en/2021/08/hydrogen-hematite-solar-energy/
