碳化硅有望成为氢光催化的候选材料

为什么氢气对于脱碳至关重要

随着我们对能源系统脱碳的追求不断深入，显而易见的是，某些环节可能不仅仅需要绿色电力。交通运输业或许如此，尤其是像公交车和卡车这样的重型运输工具；航运和航空业当然也是如此；钢铁制造和化学品生产等重工业也同样需要绿色电力。

原因在于，某些应用需要非常热的燃烧（冶金学）、不使用甲烷而提供高能氢原子（化学工业）或需要能量密度极高的燃料（航运），而电力和电池无法满足这些要求。

“乘用车可以配备电池，但重型卡车、轮船或飞机无法使用电池来储存能量。对于这些交通工具，我们需要找到清洁和可再生能源，而氢能就是一个很好的选择。”

孙建武  - A林雪平大学副教授

正因如此，研究人员和气候活动家一直在考虑用不依赖化石燃料生产的绿色氢气作为替代方案。然而，问题在于，迄今为止，绿色氢气的生产成本过高，无法取代化石燃料实现大规模应用。

如何解决绿色氢气生产挑战

到目前为止，大多数生产氢气的方法都围绕两步法进行：

1. 首先，利用太阳能、风能、水力发电或任何其他可再生能源生产绿色能源。
2. 第二，利用这种绿色电力来为水催化转化为氢气提供动力。

问题在于，任何多步骤的过程必然效率较低。

例如，阳光通过太阳能电池板转化为电能的效率仅为20-25%；然后，电能被输送到氢催化剂中，而催化剂本身的效率相对较低。最终，太阳能转化为氢能的总效率可能只有个位数。

还有成本问题。催化剂很可能消耗铂或钯等稀有金属。可再生能源生产也使用银等稀有材料，而将太阳能发电场的电力传输到催化剂通常需要巨额投资。

最后，大多数产氢催化剂需要稳定的电力水平，这意味着必须将大型电池系统作为所需基础设施的附加组件添加。

目前，有很多方法可以解决这个问题。例如，我们之前讨论过：

• 使用不同的材料来生产氢气，例如 钨钴 or 镍.
• 利用加工铂和钴产生的废金属。
• 创造 利用钌纳米粒子进行人工光合作用.

这些方法最终都可能创造出更便宜的催化剂，不需要大量昂贵的新鲜铂来生产氢气。

但一种新的方法是直接光催化，即直接利用太阳能将水转化为氢气，而无需先转化为电能。直接光催化不仅可以省去多个步骤，还能使用更简单、更稀有的材料来构建绿色发电和基础设施。

瑞典林雪平大学、日本九州大学、瑞典MAX IV实验室和中国大连理工大学的研究人员倡导了这种方法。他们在《美国化学会志》上发表了最新进展。¹ 在标题之下 ”通过3C-SiC光阳极双界面工程操控电子结构以增强太阳能水分解“。

光催化用碳化硅

碳化硅如何实现直接光催化

该研究团队之前曾研究过一种名为立方碳化硅（3C-SiC）的材料。

来源: RRL太阳能

该材料可以有效捕获阳光，通过光化学水分解反应产生氢气。

来源: RRL太阳能

当阳光照射到该材料上时，就会产生电荷（就像在多晶硅太阳能电池板中一样），然后电荷会用来分解水。

开发此类应用材料时面临的一个挑战是防止正负电荷再次合并并相互中和。

因此，为了使水分解成氢的效率更高，保持电荷分离非常重要。

新型三层碳化硅催化剂设计

研究人员使用氢氧化镍（Ni(OH)2）和氧化钴（Co3O4）将一层立方碳化硅与另外两层结合在一起。

该团队此前已利用升华技术完善了立方碳化硅的生产，并通过X射线衍射（XRD）确认了晶体的质量。

来源: 在美国化学学会的杂志

他们还证实，层间的界面增加了电荷的寿命，增加了电子被化学反应利用将水分解成氢和氧的机会。

“这是一个非常复杂的结构，所以我们在这项研究中的重点是了解每一层的功能以及它如何帮助改善材料的性能。

这种新材料将水分解成氢的性能比纯立方碳化硅高出八倍。”

孙建武  - A林雪平大学副教授

提高光催化效率的后续步骤

到目前为止，碳化硅光催化只能达到1-3％的能量产出。

氢氧化镍结构下的“P型”氧化钴层加速了电子的运动，从而加速了氢气的产生。

来源: 在美国化学学会的杂志

虽然目前还没有达到这一水平，但研究人员估计，使用他们的方法可以显著改善这一状况。

最终，预计产量将达到 10% 以上，无需任何铂或钯，也不需要任何复杂的基础设施或持续的电力供应，只要太阳照射到设备上就会直接产生氢气。

投资碳化硅公司

安森美

安森美半导体是一家专注于电气化、 包括汽车领域，还包括太阳能、电池、航空航天、电信、数据中心和医疗等其他领域.

因此，它是世界上许多大型工业公司的重要合作伙伴。

来源: 安森美

安森美半导体的技术优势很大一部分是基于 碳化硅，一种用于高能电力系统的硅碳化合物。它们特别允许电动汽车快速充电所需的非常高的功率负载。

碳化硅是研究人员最近用来开发半导体石墨烯的化学品，正如我们的文章中所讨论的“石墨烯半导体——它们终于来了吗？”并且正如这里所讨论的，它还具有生成氢气的潜力。

安森美半导体在碳化硅领域加倍投入的战略使该公司在过去几年中在电动汽车革命的推动下实现了收入的激增。

来源: ON Semiconductor

采用碳化硅的电池和电力系统正变得越来越强大、高效，在全球供应链中扮演着越来越重要的角色。作为该领域的领导者，安森美半导体有望从电气化趋势中获益良多，尤其是电动汽车和其他绿色能源。

（您也可以在“安森美半导体 (ON)：碳化硅助力电气化”。）

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参考研究

^{1.曾辉，等。 (2025) 通过3C-SiC光阳极双界面工程操控电子结构以增强太阳能水分解. 美国化学会志第 147 卷/第 17 期。 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}