图片来源：M Künsting / HZB
光电化学电池：阳光在催化剂涂层的太阳能电池（右）中产生光电压，该电池会分裂水分子。氢气在左电极产生，氧气在右电极产生。氢气的一部分与伊他酮酸（IA）进一步反应，形成有价值的甲基琥珀酸（MSA） 。
氢气可以通过水的电解产生，最好是太阳能电池或风力发电提供所产生的电能。这种“绿色”氢气预计将在未来的能源系统中发挥重要作用。在过去十年中，太阳能水分离取得了相当大的进展：最好的电解槽从光伏模块或风能中提取所需的电能，已经实现了高达30%的效率。但是这是间接的方法。
在德国HZB太阳能燃料研究所，几个团队正在研究太阳能水分裂的直接方法：他们正在开发将阳光转化为电能的光电极，其在水溶液中稳定，并催化促进水分裂。这些光电极由光吸收剂组成，这些光吸收剂是紧密耦合的催化剂材料，形成光电化学电池（PEC）的活性成分。
基于低成本和稳定的金属氧化物吸收剂的最佳PEC电池已经实现了接近10%的效率。虽然PEC电池的效率仍然低于光伏驱动的电解槽，但它们也有重要优势：例如，在PEC电池中，来自阳光的热量可用于进一步加速反应。由于这种方法的电流密度低十到一百倍，因此可以使用丰富且非常便宜的材料作为催化剂。
尚未具有竞争优势
到目前为止，技术经济分析（TEA）和净能源评估（NEA）表明，PEC方法在大规模实施方面尚不具有竞争力。今天，来自PEC系统的氢气成本约为10美元/千克，大约是化石甲烷蒸汽重整制氢的6倍（1.5美元/千克）。此外，PEC水分离的累积能源需求估计比风力涡轮机和电解槽的氢气生产高出4-20倍。
来自HZB太阳能燃料研究所的Fatwa Abdi博士说，这就是我们想带来新方法的地方。在Reinhard Schom?cker教授和Roel van de Krol教授之间的UniSysCat卓越网络合作框架内，Abdi的小组研究了当产生的一些氢气在同一反应器（原位）中与伊他康酸（IA）进一步反应形成甲基琥珀酸（MSA）时，平衡是如何变化的。
能源回报时间
他们首先计算了从光吸收剂、催化剂材料和玻璃等其他材料中产生PEC电池需要多少能量，以及它需要多长时间才能以氢或MSA等化学能的形式产生这种能量。仅就氢气而言，假设太阳能到氢能效率适中，这个“能源回收时间”约为17年。
如果只将生产的氢气的2%用于将IA转换为MSA，则能量回收时间减半，如果30%的氢气转换为MSA，则在短短2年后就可以收回生产消耗的能量。Abdi说，这使得这个过程更具可持续性和竞争力。一个原因：在这种PEC电池中合成MSA所需的能量仅为传统MSA生产过程能量需求的七分之一。
Abdi解释说，该系统是灵活的，还可以生产目前需要的其他有价值的化学品。优点是，占投资成本大部分的PEC单元的固定组件保持不变；只需要替换氢生成催化剂和原料（hydrogenation catalyst andfeedstock）。
Abdi说，这提供了一种方法，可以显著降低绿色氢气的生产成本，并提高PEC技术的经济可行性。我们已经仔细考虑了这个过程，下一步是在实验室测试氢气和MSA同时生产的实践效果如何。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。
