استاندارد جدید برای فناوری هیدروژن سبز توسط مهندسان دانشگاه رایس تنظیم شده است.
مهندسان دانشگاه رایس می توانند نوبت بدهند نور خورشید به هیدروژن تبدیل می شود با بهره وری رکورد شکنی به لطف دستگاهی که ترکیبی از نسل بعدی است نیمه هادی پروسکایت هالید* با الکتروکاتالیست ها در یک دستگاه واحد، بادوام، مقرون به صرفه و مقیاس پذیر.
مطابق با یک مطالعه این دستگاه که در Nature Communications منتشر شد، بازده تبدیل خورشید به هیدروژن 20.8 درصد را به دست آورد.
فناوری جدید یک گام مهم رو به جلو برای انرژی پاک است و می‌تواند به عنوان بستری برای طیف گسترده‌ای از واکنش‌های شیمیایی که از برق برداشت شده از خورشید برای تبدیل استفاده می‌کنند، عمل کند. مواد اولیه به سوخت ها
آزمایشگاه مهندس شیمی و بیومولکولی آدیتیا موهیت این فوتورآکتور یکپارچه را با استفاده از یک سد ضد خوردگی ساخته است که نیمه هادی را از آب عایق می کند بدون اینکه مانع انتقال الکترون شود.
آستین فهر، دانشجوی دکتری مهندسی شیمی و بیومولکولی و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، گفت: «استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای تولید مواد شیمیایی یکی از بزرگترین موانع اقتصاد انرژی پاک است.
"هدف ما ساختن پلتفرم های مقرون به صرفه ای است که می توانند سوخت های خورشیدی تولید کنند. در اینجا سیستمی طراحی کردیم که نور را جذب کرده و الکتروشیمیایی را کامل می کند شیمی تقسیم آب روی سطح آن.»
این دستگاه به عنوان سلول فوتوالکتروشیمیایی شناخته می شود زیرا جذب نور، تبدیل آن به الکتریسیته و استفاده از الکتریسیته برای تامین انرژی یک واکنش شیمیایی در یک دستگاه اتفاق می افتد. تا به حال، استفاده از فناوری فوتوالکتروشیمیایی برای تولید هیدروژن سبز به دلیل راندمان پایین و هزینه بالای نیمه هادی ها با مشکل مواجه بود.
فهر گفت: همه دستگاه‌های این نوع فقط با استفاده از نور خورشید و آب هیدروژن سبز تولید می‌کنند، اما دستگاه ما استثنایی است زیرا راندمان رکوردشکنی دارد و از نیمه‌رسانا بسیار ارزانی استفاده می‌کند.
La آزمایشگاه موهیت و همکارانش دستگاه را با چرخاندن آنها ایجاد کردند سلول خورشیدی بسیار رقابتی راکتوری که می تواند از انرژی برداشت شده برای تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده کند.
چالشی که آنها باید بر آن غلبه می‌کردند این بود که پروسکایت‌های هالید* در آب بسیار ناپایدار هستند و پوشش‌هایی که برای عایق‌سازی نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شد، در نهایت یا عملکرد آنها را مختل می‌کرد یا به آنها آسیب می‌رساند.
گفت: "در طول دو سال گذشته، ما به این سو و آن سو رفته و مواد و تکنیک های مختلف را امتحان کرده ایم." مایکل وونگ، مهندس شیمی رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه.
پس از اینکه آزمایشات طولانی نتوانست نتیجه مطلوب را به همراه داشته باشد، سرانجام محققان به یک راه حل برنده دست یافتند.
Fehr گفت: "بینش کلیدی ما این بود که شما به دو لایه برای سد نیاز داشتید، یکی برای مسدود کردن آب و دیگری برای برقراری تماس الکتریکی خوب بین لایه‌های پروسکایت و لایه محافظ."
«نتایج ما بالاترین بازدهی برای سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی بدون غلظت خورشیدی و در مجموع بهترین برای آنهایی است که از نیمه‌هادی‌های پروسکایت هالید استفاده می‌کنند.
Fehr گفت: «این اولین مورد برای میدانی است که در طول تاریخ تحت تسلط نیمه هادی های بسیار گران قیمت بوده است و ممکن است برای اولین بار مسیری برای امکان سنجی تجاری برای این نوع دستگاه باشد.
محققان نشان دادند که طراحی مانع آنها برای واکنش های مختلف و با نیمه هادی های مختلف کار می کند و آن را در بسیاری از سیستم ها قابل استفاده است.
Mohite گفت: "ما امیدواریم که چنین سیستم هایی به عنوان یک پلت فرم برای هدایت طیف گسترده ای از الکترون ها به واکنش های تشکیل دهنده سوخت با استفاده از مواد اولیه فراوان و تنها با نور خورشید به عنوان ورودی انرژی عمل کنند."
Fehr افزود: "با بهبودهای بیشتر در پایداری و مقیاس، این فناوری می تواند اقتصاد هیدروژن را باز کند و نحوه ساخت انسان از سوخت فسیلی به سوخت خورشیدی را تغییر دهد."
پروسکایت – این ماده معدنی رسانایی بالاتری نسبت به سیلیکون دارد و شکننده کمتری دارد. همچنین در زمین بسیار فراوانتر است. در طول دهه گذشته، تلاش‌های قابل توجهی منجر به پیشرفت‌های چشمگیر شده است، اما پذیرش آن در اپتوالکترونیک آینده همچنان یک چالش است.
سلول های فتوولتائیک پروسکایت هنوز ناپایدار هستند و دچار پیری زودرس می شوند. علاوه بر این، آنها حاوی سرب هستند، ماده ای که برای محیط زیست و سلامت انسان بسیار مضر است. به این دلایل، تابلوها را نمی توان به بازار عرضه کرد.
پروسکایت های هیبرید هالوژنه دسته ای از مواد نیمه هادی هستند که در سال های اخیر به دلیل خواص فوتوالکتریک قابل توجه و کاربرد آنها در سیستم های فتوولتائیک، مورد توجه تحقیقات خاصی قرار گرفته اند.
