【应用】Newport小面积太阳光模拟器应用于光解水制氢

【概述】

太阳能光解水制氢过程可以将太阳能充分使用起来，然后获得清洁的氢能资源，这具有广阔的应用前景。氢能因其作为低碳和零碳能源、可再生等优点被认为是取代煤、石油和天然气的理想绿色能源[1, 2]。开发gao 效稳定的太阳能光解水制氢体系，用于光电催化分解水制氢，具有非常重要的理论和实际意义。

在这个太阳能光解水制氢体系中，光电阳极的结构、活性、稳定性会影响整个过程中产氢效率。钒酸铋（BiVO4）被认为是光电分解水制氢最有前景的光阳极之一。Zhu课题组[3]致力于在BiVO4光阳极上固定单宁酸、镍铁离子，形成能长期循环使用可靠的可再生光电阳极。

【实验/操作方法】

选用Newport型号94011A-ES太阳光模拟器、型号91150V校准参比电池和仪表等。

其中型号94011A-ES适用于需求小面积光斑和小范围照明的研究人员，系统性能已经过认证，而且其成本较低。型号94011A-ES光束尺寸在 1.5×1.5 英寸 (38×38 mm)，在太阳输出为 1.0 时，这款模拟器符合 ASTM 和 IEC 标准定义的 ABB 级。

94011A-ES产品特点：

•紧凑设计-集成电源、匀化装置和灯罩

•连续衰减器允许调太阳辐照值

•简易、插入式灯组件，无需进行灯对准

•集成的 2 英寸滤光片支架

【实验结果/结论】

部分实验结果：

图1 (a)光解水制氢装置图。(b)未经修饰/修饰处理后的BiVO4光阳极简图。(c)和(d)分别是未经修饰/处理后的BiVO4扫描电镜图。

图2  BiVO4光阳极在H3BO3+Na2B4O7•10H2O溶液中长时间光稳定性测试实验。

从图2可以看出，在硼酸盐电解液中BiVO4具有良好的稳定特性，会保持较恒定的电流密度。

结果：经计算得出BiVO4在AM 1.5 G的照度下（100 mW/cm2），可达到的理论光电流密度为7.5 mA/cm2，对应的太阳能到氢气的效率为9.2%。实验中发现：较薄的BiVO4膜通常有较高的光吸收效率和较低的电荷分离效率，反之亦然。因此，在太阳能光电解水研究中，如何进一步提高BiVO4光阳极薄膜的透光性，同时保持高的光电流密度，仍然是具有挑战性。

参考文献：

[1]R. Sathre, C.D. Scown, I. William R. Morrow, J.C. Stevens, I.D. Sharp, I. Joel W. Ager, K. Walczak, F.A. Houleae, J.B. Greenblatt, Energy Environ. Sci. 7 (2014) 3264-3278.

[2]Y. He, T. Hamann, D. Wang, Chem. Soc. Rev. 48 (2019) 2182-2215.

[3]M.-R. Huang, Z.-W. Huang, H.-W. Zhu. Nano Energy 70 (2020) 104487.