开启阳光大规模制氢之门

由纳米光刻研究中心Jihye Lee博士领导的研究团队开发的超大光电极系统。图片来源：韩国机械材料研究所（KIMM）

韩国机械材料研究所(KIMM)在国家科学技术研究委员会支持下，成功开发出一项能在自然光照条件下稳定产生高光电流的技术，从而实现高效制氢。这项突破通过简化先前复杂的多步骤工艺，大幅缩短了制造时间，有望加速太阳能制氢技术的商业化进程。

由KIMM纳米融合制造研究部首席研究员、纳米光刻与制造研究中心主任李智慧博士带领的研究团队，研发出提升钒酸铋(BiVO4)光电极生产效率的技术方案。该方案通过优化光电极结构，将光吸收效率提升至理论极限的96.3%，并成功解决了传统工艺中存在的电荷复合问题，最终实现氢气产量的最大化。这一突破性进展为绿色氢能的大规模工业化生产铺平了道路。

相关研究成果已发表在《材料化学期刊A》（Journal of Materials Chemistry A）。  

钒酸铋（BiVO4）作为一种金属氧化物，因其高光吸收率和太阳能-氢能转换效率（STH），被公认为太阳能水分解系统的核心材料。  

此前，BiVO4前驱体溶液的浓度上限仅为100 mM。这一限制使得制备高性能薄膜需要重复旋涂和热处理步骤超过八次，导致工艺耗时、材料损耗大，最终造成生产效率低下。

研究团队成功制备出单块面积达144平方厘米的大尺寸光电极，并通过四块单元串联构建出总面积达576平方厘米的超大型光电极系统。尤为引人注目的是，该团队将该系统与硅（Si）太阳能电池并联后，仅依靠自然阳光无需外部电源即实现了氢气的高效制备。即使在自然光照条件下，该系统仍能输出稳定且高的光电流，从而大幅提升了环保制氢工艺的经济性与效率水平，为产业化应用奠定了坚实基础。

李智慧博士表示："本研究通过开发高浓度BiVO4前驱体溶液，在大面积光电极的制备效率和量产能力方面实现了重大突破。我们期待这项成果能够为推动可持续能源转型和绿氢制备技术的商业化进程作出重要贡献。"

目前，基于该项创新技术，研究团队已同步申请了韩国国内专利及PCT（专利合作条约）国际专利。

更多信息: Hoyoung Lee et al, Breakthrough in the large area photoanode fabrication process: high concentration precursor solution with solvent mixing and one step spin coating for high PEC performance of BiVO4, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI: 10.1039/D4TA03349C