Νέο πρότυπο για την τεχνολογία πράσινου υδρογόνου που τέθηκε από μηχανικούς του Πανεπιστημίου Rice.
Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου Rice μπορούν να στραφούν το ηλιακό φως σε υδρογόνο με απόδοση ρεκόρ χάρη σε μια συσκευή που συνδυάζει την επόμενη γενιά ημιαγωγοί αλογονιδίου περοβσκίτη* με ηλεκτροκαταλύτες σε μια ενιαία, ανθεκτική, οικονομικά αποδοτική και επεκτάσιμη συσκευή.
Σύμφωνα με μια μελέτη Δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, η συσκευή πέτυχε απόδοση μετατροπής ηλιακού σε υδρογόνο 20.8%.
Η νέα τεχνολογία είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για την καθαρή ενέργεια και θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως πλατφόρμα για ένα ευρύ φάσμα χημικών αντιδράσεων που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια που συλλέγεται από τον ήλιο για τη μετατροπή πρώτες ύλες στα καύσιμα.
Το εργαστήριο χημικού και βιομοριακού μηχανικού Aditya Mohite κατασκεύασε τον ενσωματωμένο φωτοαντιδραστήρα χρησιμοποιώντας ένα αντιδιαβρωτικό φράγμα που μονώνει τον ημιαγωγό από το νερό χωρίς να εμποδίζει τη μεταφορά ηλεκτρονίων.
«Η χρήση του ηλιακού φωτός ως πηγή ενέργειας για την παραγωγή χημικών είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για μια οικονομία καθαρής ενέργειας», δήλωσε ο Austin Fehr, διδακτορικός φοιτητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής και ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης.
«Στόχος μας είναι να κατασκευάσουμε οικονομικά εφικτές πλατφόρμες που μπορούν να παράγουν ηλιακά καύσιμα. Εδώ, σχεδιάσαμε ένα σύστημα που απορροφά το φως και συμπληρώνει ηλεκτροχημικά χημεία διάσπασης νερού στην επιφάνειά του».
Η συσκευή είναι γνωστή ως φωτοηλεκτροχημικό στοιχείο επειδή η απορρόφηση του φωτός, η μετατροπή του σε ηλεκτρική ενέργεια και η χρήση του ηλεκτρισμού για την τροφοδοσία μιας χημικής αντίδρασης συμβαίνουν όλα στην ίδια συσκευή. Μέχρι τώρα, η χρήση φωτοηλεκτροχημικής τεχνολογίας για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου παρεμποδιζόταν από τη χαμηλή απόδοση και το υψηλό κόστος των ημιαγωγών.
«Όλες οι συσκευές αυτού του τύπου παράγουν πράσινο υδρογόνο χρησιμοποιώντας μόνο ηλιακό φως και νερό, αλλά η δική μας είναι εξαιρετική γιατί έχει απόδοση ρεκόρ και χρησιμοποιεί έναν ημιαγωγό που είναι πολύ φθηνός», είπε ο Fehr.
Η Εργαστήριο Mohite και οι συνεργάτες του δημιούργησαν τη συσκευή γυρίζοντας τους άκρως ανταγωνιστικό ηλιακό στοιχείο σε έναν αντιδραστήρα που θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τη συλλεγόμενη ενέργεια για να χωρίσει το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο.
Η πρόκληση που έπρεπε να ξεπεράσουν ήταν ότι οι περοβσκίτες αλογονιδίων* είναι εξαιρετικά ασταθείς στο νερό και οι επικαλύψεις που χρησιμοποιούνται για τη μόνωση των ημιαγωγών κατέληξαν είτε να διαταράξουν τη λειτουργία τους είτε να τους καταστρέψουν.
«Τα τελευταία δύο χρόνια, πηγαινοερχόμαστε δοκιμάζοντας διαφορετικά υλικά και τεχνικές», είπε Μάικλ Γουόνγκ, χημικός μηχανικός της Rice και συν-συγγραφέας στη μελέτη.
Μετά από μακρές δοκιμές που απέτυχαν να αποδώσουν το επιθυμητό αποτέλεσμα, οι ερευνητές βρήκαν τελικά μια νικητήρια λύση.
«Η βασική μας επίγνωση ήταν ότι χρειαζόσουν δύο στρώματα στο φράγμα, ένα για να μπλοκάρει το νερό και ένα για να κάνει καλή ηλεκτρική επαφή μεταξύ των στρωμάτων περοβσκίτη και του προστατευτικού στρώματος», είπε ο Φερ.
«Τα αποτελέσματά μας είναι η υψηλότερη απόδοση για φωτοηλεκτροχημικά κύτταρα χωρίς ηλιακή συγκέντρωση και η καλύτερη συνολικά για όσους χρησιμοποιούν ημιαγωγούς αλογονιδίου περοβσκίτη.
«Είναι η πρώτη για έναν τομέα που ιστορικά κυριαρχείται από απαγορευτικά ακριβούς ημιαγωγούς και μπορεί να αντιπροσωπεύει ένα μονοπάτι προς την εμπορική σκοπιμότητα αυτού του τύπου συσκευής για πρώτη φορά», είπε ο Fehr.
Οι ερευνητές έδειξαν ότι ο σχεδιασμός του φραγμού τους λειτουργούσε για διαφορετικές αντιδράσεις και με διαφορετικούς ημιαγωγούς, καθιστώντας το εφαρμόσιμο σε πολλά συστήματα.
«Ελπίζουμε ότι τέτοια συστήματα θα χρησιμεύσουν ως πλατφόρμα για την οδήγηση ενός ευρέος φάσματος ηλεκτρονίων σε αντιδράσεις σχηματισμού καυσίμου χρησιμοποιώντας άφθονες πρώτες ύλες με μόνο το ηλιακό φως ως εισροή ενέργειας», είπε ο Mohite.
«Με περαιτέρω βελτιώσεις στη σταθερότητα και την κλίμακα, αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να ανοίξει την οικονομία του υδρογόνου και να αλλάξει τον τρόπο που οι άνθρωποι κατασκευάζουν τα πράγματα από ορυκτά καύσιμα σε ηλιακά καύσιμα», πρόσθεσε ο Fehr.
Περοβσκίτης – Αυτό το ορυκτό έχει υψηλότερη αγωγιμότητα από το πυρίτιο και είναι λιγότερο εύθραυστο. Είναι επίσης πολύ πιο άφθονο στη Γη. Την τελευταία δεκαετία, σημαντικές προσπάθειες οδήγησαν σε θεαματικές εξελίξεις, αλλά η υιοθέτησή του στη μελλοντική οπτοηλεκτρονική παραμένει πρόκληση.
Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα περοβσκίτη είναι ακόμα ασταθή και υφίστανται πρόωρη γήρανση. Επιπλέον, περιέχουν μόλυβδο, ένα υλικό που είναι πολύ επιβλαβές για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Για αυτούς τους λόγους, τα πάνελ δεν μπορούν να διατεθούν στην αγορά.
Αλογονωμένοι υβριδικοί περοβσκίτες είναι μια κατηγορία ημιαγωγών υλικών που έχουν αποτελέσει το επίκεντρο ιδιαίτερης έρευνας τα τελευταία χρόνια για τις αξιοσημείωτες φωτοηλεκτρικές τους ιδιότητες και τις εφαρμογές τους σε φωτοβολταϊκά συστήματα.
