瑞士洛桑聯邦理工學院一化學科研團隊日前發明了可以從空氣中收集水并生產氫的技術設備，這是一種將半導體技術與新型電極相結合的系統，利用太陽能實現“空氣制氫”，整個流程零排放。盡管關鍵材料和整體轉換效率還有待進一步改進，但對于氫能閉環循環、高效轉化的“制、儲、運、用”全鏈條發展提供了新思路。

◆◆◆原型機可擴展且易于制造

洛桑聯邦理工學院光電納米材料分子工程實驗室的化學工程師、首席研究員凱文·西沃拉領導的研究團隊在國際期刊《先進材料》發表了研究成果，革新之處在于發明了一個新型氣體擴散電極，這種電極透明、多孔且易導電，使得以太陽能為動力的技術能夠將來自空氣中的氣態水轉化為氫。

據了解，原型機的形狀類似一片葉子，基地由氈制玻璃纖維組成的三維網格，其上涂了一層光收集半導體材料，因此有別于傳統的對陽光不透明的電極層，這個“人造葉子”同時擁有半導體技術和新型電極的關鍵優勢，透明性使其可以最大限度地暴露于陽光中，多孔性使其可以最大程度地與空氣中的水接觸。

西沃拉的研究團隊建造了一個測試室，將“人造葉子”置于潮濕和充沛陽光之中，從空氣和陽光中收集水生產氫氣，相當于將陽光的能量以氫的形式儲存起來。

西沃拉指出，這個新型氣體擴散電極利用了光電化學電池（PEC）技術，其可制成直接儲能的光電化學蓄電池，成為一種既能轉換太陽光能又能進行能量儲存的多途徑轉換太陽能的光電化學器件，而且半導體在電解液中界面液體結容易形成，可以廣泛應用多晶、薄膜型半導體材料，因而具有制作工藝簡便、價格低廉等特點。

目前來看，這個“人造葉子”是一個巧妙且簡單的系統，可擴展且易于制備，但在實際應用中仍存在缺點，包括制造使用液體的大面積PEC設備較為復雜。

◆◆◆植物光合作用觸發靈感

據了解，西沃拉的研究團隊是從植物的光合作用中獲取的靈感，其在進行可再生燃料的研究中發現，利用PEC技術從液態水和陽光中產生氫，是一種很有前途的人工光合作用材料。

新加坡國立大學教授汪磊指出，自然界的光合作用是萬物生存的基石，人工光合作用的目標則是通過更簡單的化學反應讓太陽能或其他可持續能源以更快、更高效的方式轉化成能量密度更高、應用更廣泛的化學能源。也就是說，人工光合作用的終極目標就是直接利用太陽能，將水和二氧化碳轉化產出液體燃料，同時確保成本經濟性。

對此，西沃拉研究團隊的成員之一、研究報告的主要撰寫者瑪麗娜·卡雷蒂表示：“實際上，我們開發原型機就面對了諸多挑戰，包括必須為每一個步驟開發新的程序，但由于每一個步驟都相對簡單且可擴展，這一科研成果仍然為更低的成本設計和制造更高效的人工光合作用設備指明了新方向。”

◆◆◆關鍵材料技術有待突破

不過，這個“空氣制氫”的技術目前轉換效率尚不確定，仍處于技術探索和經驗積累階段。因此，雖然原型設備和技術概念已經完成，但仍需要在關鍵材料方面實現進一步突破，才能具備推廣價值和商業化落地。

據悉，原型機目前只能穩定工作大約一個小時，西沃拉的研究團隊正在集中精力優化系統，包括完善纖維尺寸、改善孔徑大小、測試半導體和膜材料等。

但即便如此，這個“空氣制氫”概念仍然被視為綠色制氫技術的一個重要里程碑，因為只要在陽光充足、濕度足夠的地方即可實現，甚至除了利用空氣中的氣態水，地下水、雨水、處理垃圾過程中得到的水都可以加以利用。該研究團隊表示，實際上，如果不考慮成本和效率問題，即便是中學生也可以在室外完成這一制氫過程。目前的制氫技術會消耗大量能源，因此更綠色、更高效的制氫方式一直是業內追求的目標。成本方面，只有低于“灰氫”“藍氫”“綠氫”的生產成本，才能凸顯出“空氣制氫”的商業價值。

英國物理學會雜志《物理世界》撰文稱，瑞士化學科研團隊提出的“空氣制氫”技術一旦實現商業化推廣，將在家庭供暖、汽車供電方面發揮關鍵作用。

“可持續的、低碳的社會，需要將可再生能源轉化并儲存為化學物質，以用作工業染料和原材料，我們的目標是尋求可實現商業化且具有經濟競爭力的清潔能源生產方式。”西沃拉強調。