Nový standard pro technologii zeleného vodíku stanovený inženýry z Rice University.
Inženýři z Rice University se mohou otáčet sluneční světlo na vodík s rekordní účinností díky zařízení, které kombinuje novou generaci halogenidové perovskitové polovodiče* s elektrokatalyzátory v jediném, odolném, nákladově efektivním a škálovatelném zařízení.
Podle studie publikované v Nature Communications, zařízení dosáhlo účinnosti konverze slunce na vodík 20.8 %.
Nová technologie je významným krokem vpřed pro čistou energii a mohla by sloužit jako platforma pro širokou škálu chemických reakcí, které využívají k přeměně elektřiny získané ze slunce. vstupní suroviny do paliv.
Laboratoř chemického a biomolekulárního inženýra Aditya Mohite postavili integrovaný fotoreaktor pomocí antikorozní bariéry, která izoluje polovodič od vody, aniž by bránila přenosu elektronů.
„Použití slunečního světla jako zdroje energie k výrobě chemikálií je jednou z největších překážek pro ekonomiku čisté energie,“ řekl Austin Fehr, doktorand chemického a biomolekulárního inženýrství a jeden z hlavních autorů studie.
„Naším cílem je vybudovat ekonomicky proveditelné platformy, které dokážou generovat solární paliva. Zde jsme navrhli systém, který absorbuje světlo a dokončuje elektrochemii chemie štěpící vodu na jeho povrchu."
Zařízení je známé jako fotoelektrochemický článek, protože absorpce světla, jeho přeměna na elektřinu a využití elektřiny k pohonu chemické reakce, to vše probíhá ve stejném zařízení. Až dosud bylo použití fotoelektrochemické technologie k výrobě zeleného vodíku omezováno nízkou účinností a vysokými náklady na polovodiče.
"Všechna zařízení tohoto typu produkují zelený vodík pouze za použití slunečního světla a vody, ale naše je výjimečné, protože má rekordní účinnost a používá polovodič, který je velmi levný," řekl Fehr.
Projekt Mohite laboratoř a jeho spolupracovníci vytvořili zařízení otočením svého vysoce konkurenční solární článek do reaktoru, který by mohl využít získanou energii k rozdělení vody na kyslík a vodík.
Výzvou, kterou museli překonat, bylo, že halogenidové perovskity* jsou extrémně nestabilní ve vodě a povlaky používané k izolaci polovodičů nakonec buď narušily jejich funkci, nebo je poškodily.
"Během posledních dvou let jsme tam a zpět zkoušeli různé materiály a techniky," řekl Michael Wong, chemický inženýr Rice a spoluautor studie.
Poté, co zdlouhavé pokusy nepřinesly požadovaný výsledek, vědci nakonec narazili na vítězné řešení.
"Naše klíčové zjištění bylo, že jste potřebovali dvě vrstvy bariéry, jednu pro blokování vody a jednu pro vytvoření dobrého elektrického kontaktu mezi vrstvami perovskitu a ochrannou vrstvou," řekl Fehr.
„Naše výsledky jsou nejvyšší účinnost pro fotoelektrochemické články bez sluneční koncentrace a celkově nejlepší pro ty, které používají halogenidové perovskitové polovodiče.
"Je to poprvé v oboru, kterému historicky dominovaly neúměrně drahé polovodiče, a může představovat cestu ke komerční proveditelnosti tohoto typu zařízení vůbec poprvé," řekl Fehr.
Výzkumníci ukázali, že jejich bariérový design funguje pro různé reakce a s různými polovodiči, takže je použitelný v mnoha systémech.
"Doufáme, že takové systémy poslouží jako platforma pro řízení široké škály elektronů k reakcím tvořícím palivo s využitím bohatých surovin s pouze slunečním zářením jako energetickým vstupem," řekl Mohite.
„S dalšími vylepšeními stability a rozsahu by tato technologie mohla otevřít vodíkovou ekonomiku a změnit způsob, jakým lidé vyrábějí věci z fosilních paliv na solární,“ dodal Fehr.
Perovskit – Tento minerál má vyšší vodivost než křemík a je méně křehký. Na Zemi je také mnohem hojnější. Během posledního desetiletí vedlo značné úsilí k pozoruhodnému vývoji, ale jeho přijetí v budoucí optoelektronice zůstává výzvou.
Perovskitové fotovoltaické články jsou stále nestabilní a podléhají předčasnému stárnutí. Navíc obsahují olovo, materiál velmi škodlivý pro životní prostředí a lidské zdraví. Z těchto důvodů nemohou být panely uváděny na trh.
Halogenované hybridní perovskity jsou třídou polovodičových materiálů, které byly v posledních letech předmětem zvláštního výzkumu pro jejich pozoruhodné fotoelektrické vlastnosti a jejich aplikace ve fotovoltaických systémech.
