几十年来，世界各地的研究人员一直在寻找方法用太阳能分解水分子，从而清洁地产生氢燃料和氧气。然而，这样的努力大多都失败了，因为做好成本太高，而低成本的尝试却往往效果不佳。现在，得克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员发现了一种低成本的方法来完成该反应的一部分：利用阳光有效地从水中分离氧分子。近期，发表在《自然·通讯》杂志上的这一发现，代表着我们向更广泛地把氢作为能源基础设施的重要部分迈进了一步。
早在20世纪70年代，研究人员就在研究利用太阳能生产氢气的可能性。但是，由于无法找到进行关键化学反应的设备所需要的材料，这种可能无法成为主流。该图简要解释了整个反应的原理。图中的C部分解释了镍是怎么替代铝的。
“你需要的材料既能吸收阳光，又在水分解同时自身不会降解。
” Cockrell学院电子和计算机工程系教授Edward Yu说，“事实证明，在水分解反应所需的条件下，善于吸收阳光的材料往往不稳定，而稳定的材料往往不善于吸收阳光。”这些冲突迫使你做出一个看似不可避免的权衡，但通过将多种材料组合到同一设备，这种冲突就可以解决了。举个例子，设备中的其中一种材料能有效吸收阳光，比如硅，而另一种材料能提供良好的稳定性，比如二氧化硅。
然而，这又带来了另一个挑战——在硅中吸收阳光所产生的电子和空穴必须能够轻易地穿过二氧化硅层。这通常要求二氧化硅层厚度不超过几纳米，这降低了它保护硅吸收器不被降解的能力。这一突破的关键，在于一层厚二氧化硅层创造的导电路径。这种方法可以以较低的成本实现，并可大规模量产。
为了实现这一目标，Yu和他的团队使用了一种最初用于半导体电子芯片制造的技术。通过给二氧化硅层涂上一层铝薄膜，然后对整个结构进行加热，形成了完全连接二氧化硅层的纳米级铝“尖峰”阵列。铝也能很容易地被镍或其他有助于催化水裂解反应的材料取代。当被阳光照射时，该装置可以有效地将水氧化形成氧分子，同时在单独的电极上收集氢气。在长时间运行下，它也表现出出色的稳定性。
由于制造这些器件的技术通常也用于半导体电子产品的制造，它们应该很容易被量产。该团队已经提交了一份临时专利申请，以使这项技术商业化。改善氢气的生产方式是使它成为一种可行的燃料来源的关键。目前，大多数氢的生产都是通过加热蒸汽和甲烷来实现的，但这严重依赖于化石燃料，并产生碳排放。
目前，“绿色氢”是发展的目标，即用更环保的方法来生产氢。而简化水的分解反应是实现这一目标的关键。氢的特性使其有潜力成为重要的可再生资源。它已经在重要的工业过程中发挥了主要作用，并且开始在汽车工业中崭露头角。氢燃料电池在长途卡车运输方面也有被看好的前景。此外，氢技术还有利于能源储存，在条件成熟时能够储存多余的风能和太阳能。
接下来，该团队将通过提高反应速率来提高水分解过程中获得氧气的效率。研究人员的下一个主要挑战是转向反应方程的另一半——获得氢气。“我们能够首先解决氧气部分的反应，这是更具挑战性的部分，”Yu说，“但是，要完成水分子的完全分解，必须都能使得氢气和氧气都能生成。因此，我们的接下来的工作是把目前的想法应用到氢气的生成上来。”