Нов стандарт за зелена водородна технология, определен от инженерите на университета Райс.
Инженерите от университета Райс могат да се обърнат слънчева светлина във водород с рекордна ефективност благодарение на устройство, което комбинира следващо поколение халогенни перовскитни полупроводници* с електрокатализатори в едно, издръжливо, рентабилно и мащабируемо устройство.
Според изследване публикувано в Nature Communications, устройството постигна 20.8% ефективност на преобразуване на слънчева енергия към водород.
Новата технология е значителна стъпка напред за чиста енергия и може да послужи като платформа за широк спектър от химични реакции, които използват слънчева електроенергия за преобразуване суровини в горива.
Лабораторията по химически и биомолекулярни инженери Адитя Мохите построи интегрирания фотореактор, използвайки антикорозионна бариера, която изолира полупроводника от вода, без да възпрепятства преноса на електрони.
„Използването на слънчева светлина като източник на енергия за производство на химикали е едно от най-големите препятствия пред икономиката на чистата енергия“, каза Остин Фер, докторант по химическо и биомолекулярно инженерство и един от водещите автори на изследването.
„Нашата цел е да изградим икономически осъществими платформи, които могат да генерират слънчеви горива. Тук проектирахме система, която абсорбира светлина и завършва електрохимично химия за разделяне на водата на повърхността му."
Устройството е известно като фотоелектрохимична клетка, тъй като абсорбцията на светлината, преобразуването й в електричество и използването на електричеството за захранване на химическа реакция се случват в едно и също устройство. Досега използването на фотоелектрохимична технология за производство на зелен водород беше възпрепятствано от ниската ефективност и високата цена на полупроводниците.
„Всички устройства от този тип произвеждат зелен водород, използвайки само слънчева светлина и вода, но нашето е изключително, защото има рекордна ефективност и използва полупроводник, който е много евтин“, каза Фер.
- Мохит лаборатория и неговите сътрудници създадоха устройството, като завъртяха своите силно конкурентна слънчева клетка в реактор, който може да използва събраната енергия, за да раздели водата на кислород и водород.
Предизвикателството, което трябваше да преодолеят, беше, че халидните перовскити* са изключително нестабилни във вода и покритията, използвани за изолиране на полупроводниците, в крайна сметка или нарушиха тяхната функция, или ги повредиха.
„През последните две години вървяхме напред-назад, опитвайки различни материали и техники“, каза Майкъл Вонг, химически инженер на Райс и съавтор на изследването.
След като дългите опити не успяха да дадат желания резултат, изследователите най-накрая се натъкнаха на печелившо решение.
„Нашето основно прозрение беше, че имате нужда от два слоя към бариерата, един за блокиране на водата и един за осъществяване на добър електрически контакт между перовскитните слоеве и защитния слой“, каза Фер.
„Нашите резултати са най-високата ефективност за фотоелектрохимични клетки без слънчева концентрация и най-добрите като цяло за тези, които използват халидни перовскитни полупроводници.
„Това е първото за област, която исторически е била доминирана от непосилно скъпи полупроводници, и може да представлява път към търговска осъществимост за този тип устройство за първи път“, каза Фер.
Изследователите показаха, че дизайнът на тяхната бариера работи за различни реакции и с различни полупроводници, което го прави приложим в много системи.
„Надяваме се, че такива системи ще служат като платформа за задвижване на широк спектър от електрони към реакции за образуване на гориво, като се използват изобилни суровини само със слънчева светлина като входяща енергия“, каза Мохайт.
„С по-нататъшни подобрения на стабилността и мащаба тази технология може да отвори водородната икономика и да промени начина, по който хората произвеждат неща от изкопаеми горива към слънчеви горива“, добави Фер.
Перовскит – Този минерал има по-висока проводимост от силиция и е по-малко чуплив. Освен това е много по-разпространен на Земята. През последното десетилетие значителни усилия доведоха до грандиозни разработки, но приемането му в бъдещата оптоелектроника остава предизвикателство.
Перовскитните фотоволтаични клетки все още са нестабилни и претърпяват преждевременно стареене. Нещо повече, те съдържат олово, материал, който е много вреден за околната среда и човешкото здраве. Поради тези причини панелите не могат да бъдат пуснати на пазара.
Халогенирани хибридни перовскити са клас полупроводникови материали, които са били в центъра на специално изследване през последните години заради техните забележителни фотоелектрични свойства и приложенията им във фотоволтаични системи.
