معيار جديد لتكنولوجيا الهيدروجين الأخضر وضعه مهندسو جامعة رايس.
يمكن لمهندسي جامعة رايس أن يتحولوا ضوء الشمس إلى هيدروجين بكفاءة قياسية بفضل الجهاز الذي يجمع بين الجيل التالي هاليد البيروفسكايت أشباه الموصلات* مع المحفزات الكهربائية في جهاز واحد متين وفعال من حيث التكلفة وقابل للتطوير.
وفقًا دراسة تم نشر الجهاز في Nature Communications، وحقق كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين بنسبة 20.8%.
تعد التكنولوجيا الجديدة خطوة مهمة للأمام في مجال الطاقة النظيفة ويمكن أن تكون بمثابة منصة لمجموعة واسعة من التفاعلات الكيميائية التي تستخدم الكهرباء المحصلة من الطاقة الشمسية لتحويلها. المواد الأولية في الوقود.
معمل المهندس الكيميائي والجزيئي الحيوي أديتيا موهيتي قام ببناء المفاعل الضوئي المتكامل باستخدام حاجز مضاد للتآكل يعزل أشباه الموصلات عن الماء دون إعاقة نقل الإلكترونات.
وقال أوستن فير، طالب الدكتوراه في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة: "يعد استخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة لتصنيع المواد الكيميائية أحد أكبر العقبات أمام اقتصاد الطاقة النظيفة".
"هدفنا هو بناء منصات مجدية اقتصاديًا يمكنها توليد الوقود المشتق من الطاقة الشمسية. هنا، قمنا بتصميم نظام يمتص الضوء ويكمل الكهروكيميائية كيمياء تقسيم الماء على سطحه."
يُعرف الجهاز بالخلية الكهروكيميائية الضوئية لأن امتصاص الضوء وتحويله إلى كهرباء واستخدام الكهرباء لتشغيل تفاعل كيميائي، كلها تحدث في نفس الجهاز. حتى الآن، كان استخدام التكنولوجيا الكهروكيميائية الضوئية لإنتاج الهيدروجين الأخضر يعوقه انخفاض الكفاءة وارتفاع تكلفة أشباه الموصلات.
وقال فيهر: "جميع الأجهزة من هذا النوع تنتج الهيدروجين الأخضر باستخدام ضوء الشمس والماء فقط، ولكن جهازنا استثنائي لأنه يتمتع بكفاءة قياسية ويستخدم أشباه موصلات رخيصة للغاية".
• معمل موهيت وقام المتعاونون معه بإنشاء الجهاز عن طريق تحويل خلية شمسية ذات قدرة تنافسية عالية إلى مفاعل يمكنه استخدام الطاقة المحصودة لتقسيم الماء إلى أكسجين وهيدروجين.
وكان التحدي الذي كان عليهم التغلب عليه هو أن هاليد البيروفسكايت* غير مستقر للغاية في الماء، وأن الطلاء المستخدم لعزل أشباه الموصلات انتهى به الأمر إما إلى تعطيل وظيفتها أو إتلافها.
وقال: "على مدى العامين الماضيين، قمنا بتجربة مواد وتقنيات مختلفة". مايكل وونغ، مهندس كيميائي في رايس ومؤلف مشارك في الدراسة.
وبعد فشل التجارب المطولة في تحقيق النتيجة المرجوة، توصل الباحثون أخيرًا إلى حل ناجح.
وقال فيهر: "كانت رؤيتنا الرئيسية هي أنك بحاجة إلى طبقتين للحاجز، واحدة لمنع الماء والأخرى لإجراء اتصال كهربائي جيد بين طبقات البيروفسكايت والطبقة الواقية".
"نتائجنا هي أعلى كفاءة للخلايا الكهروكيميائية الضوئية بدون تركيز شمسي، والأفضل بشكل عام لأولئك الذين يستخدمون أشباه الموصلات الهاليد البيروفسكايت.
وقال فيهر: "إنها المرة الأولى في مجال كانت تهيمن عليه تاريخياً أشباه الموصلات باهظة الثمن، وقد تمثل طريقاً إلى الجدوى التجارية لهذا النوع من الأجهزة لأول مرة على الإطلاق".
أظهر الباحثون أن تصميم الحاجز الخاص بهم يعمل مع تفاعلات مختلفة ومع أشباه موصلات مختلفة، مما يجعله قابلاً للتطبيق عبر العديد من الأنظمة.
وقال موهيت: "نأمل أن تكون مثل هذه الأنظمة بمثابة منصة لتوجيه مجموعة واسعة من الإلكترونات لتفاعلات تكوين الوقود باستخدام المواد الأولية الوفيرة مع ضوء الشمس فقط كمدخل للطاقة".
وأضاف فيهر: "مع المزيد من التحسينات على الاستقرار والحجم، يمكن لهذه التكنولوجيا أن تفتح اقتصاد الهيدروجين وتغير الطريقة التي يصنع بها البشر الأشياء من الوقود الأحفوري إلى الوقود الشمسي".
بيروفسكايت – يتمتع هذا المعدن بموصلية أعلى من السيليكون وأقل هشاشة. كما أنها أكثر وفرة على الأرض. على مدى العقد الماضي، أدت الجهود الكبيرة إلى تطورات مذهلة، ولكن اعتمادها في مجال الإلكترونيات الضوئية المستقبلية لا يزال يمثل تحديًا.
لا تزال خلايا البيروفسكايت الكهروضوئية غير مستقرة وتتعرض للشيخوخة المبكرة. علاوة على ذلك، فهي تحتوي على الرصاص، وهي مادة ضارة جدًا بالبيئة وصحة الإنسان. لهذه الأسباب لا يمكن تسويق اللوحات.
البيروفسكايت الهجين المهلجنة هي فئة من المواد شبه الموصلة التي كانت محور أبحاث معينة في السنوات الأخيرة لخصائصها الكهروضوئية الرائعة وتطبيقاتها في الأنظمة الكهروضوئية.
