Rice Universityn insinöörien asettama uusi standardi vihreälle vetyteknologialle.
Rice Universityn insinöörit voivat kääntyä auringonvalo vedyksi ennätystehokkuudella seuraavan sukupolven yhdistävän laitteen ansiosta halogenidiperovskiittiset puolijohteet* kanssa sähkökatalyytit yhdessä, kestävässä, kustannustehokkaassa ja skaalautuvassa laitteessa.
Mukaan tutkimus Nature Communicationsissa julkaistun laitteen tehokkuus aurinkoenergiasta vedyksi oli 20.8 %.
Uusi teknologia on merkittävä edistysaskel puhtaan energian alalla, ja se voisi toimia alustana monenlaisille kemiallisille reaktioille, joissa muuntamiseen käytetään aurinkoenergialla kerättyä sähköä. raaka-aineet polttoaineisiin.
Kemian ja biomolekyyliinsinöörin laboratorio Aditya Mohite rakensi integroidun fotoreaktorin käyttämällä korroosionestoa, joka eristää puolijohteen vedestä estämättä elektronien siirtoa.
"Auringonvalon käyttö energianlähteenä kemikaalien valmistuksessa on yksi suurimmista esteistä puhtaan energiataloudelle", sanoi Austin Fehr, kemian ja biomolekyylitekniikan tohtoriopiskelija ja yksi tutkimuksen johtavista kirjoittajista.
”Tavoitteenamme on rakentaa taloudellisesti kannattavia alustoja, joilla voidaan tuottaa aurinkoperäisiä polttoaineita. Tässä olemme suunnitelleet järjestelmän, joka absorboi valoa ja täydentää sähkökemian vettä jakava kemia sen pinnalla."
Laite tunnetaan valosähkökemiallisena kennona, koska valon absorptio, sen muuntaminen sähköksi ja sähkön käyttö kemiallisen reaktion tehostamiseen tapahtuvat kaikki samassa laitteessa. Tähän asti valosähkökemiallisen teknologian käyttöä vihreän vedyn tuottamiseen hankaloittivat puolijohteiden alhainen hyötysuhde ja korkea hinta.
"Kaikki tämän tyyppiset laitteet tuottavat vihreää vetyä käyttämällä vain auringonvaloa ja vettä, mutta omamme on poikkeuksellinen, koska sen tehokkuus on ennätys ja se käyttää erittäin halpaa puolijohdetta", Fehr sanoi.
- Mohite lab ja sen yhteistyökumppanit loivat laitteen kääntämällä erittäin kilpailukykyinen aurinkokenno reaktoriin, joka voisi käyttää kerättyä energiaa veden jakamiseen hapeksi ja vedyksi.
Haaste, joka heidän oli voitettava, oli se, että halogenidiperovskiitit* ovat erittäin epävakaita vedessä ja puolijohteiden eristämiseen käytetyt pinnoitteet päätyivät joko häiritsemään niiden toimintaa tai vahingoittamaan niitä.
"Kahden viime vuoden aikana olemme kokeilleet erilaisia materiaaleja ja tekniikoita edestakaisin", sanoi Michael Wong, Rice-kemian insinööri ja tutkimuksen toinen kirjoittaja.
Sen jälkeen kun pitkät kokeet eivät tuottaneet toivottua tulosta, tutkijat löysivät lopulta voittavan ratkaisun.
"Avainnäkemyksemme oli, että tarvitsit kaksi kerrosta esteeseen, toisen estämään veden ja toisen luomaan hyvän sähköisen kontaktin perovskiittikerrosten ja suojakerroksen välille", Fehr sanoi.
”Tuloksemme ovat korkein hyötysuhde valosähkökemiallisille kennoille ilman aurinkopitoisuutta ja paras kokonaisuutena niille, jotka käyttävät halogenidiperovskiittipuolijohteita.
"Se on ensimmäinen alalla, jota on historiallisesti hallinnut kohtuuttoman kalliit puolijohteet, ja se voi edustaa polkua tämäntyyppisten laitteiden kaupalliseen toteutettamiseen ensimmäistä kertaa", Fehr sanoi.
Tutkijat osoittivat, että heidän estesuunnittelunsa toimi erilaisissa reaktioissa ja eri puolijohteiden kanssa, mikä teki siitä soveltuvan moniin järjestelmiin.
"Toivomme, että tällaiset järjestelmät toimivat alustana monenlaisten elektronien ohjaamiseksi polttoainetta muodostaviin reaktioihin käyttämällä runsaasti raaka-aineita ja vain auringonvaloa energiasyötteenä", Mohite sanoi.
"Vakavuuden ja mittakaavan lisäparannuksilla tämä tekniikka voi avata vetytalouden ja muuttaa tapaa, jolla ihmiset valmistavat asioita fossiilisista polttoaineista aurinkopolttoaineiksi", Fehr lisäsi.
Perovskiitti – Tällä mineraalilla on korkeampi johtavuus kuin piillä ja se on vähemmän hauras. Sitä on myös paljon runsaammin maan päällä. Viime vuosikymmenen aikana on tehty huomattavia ponnisteluja, mutta sen käyttöönotto tulevaisuuden optoelektroniikassa on edelleen haaste.
Perovskiittiset aurinkokennot ovat edelleen epävakaita ja vanhenevat ennenaikaisesti. Lisäksi ne sisältävät lyijyä, materiaalia, joka on erittäin haitallista ympäristölle ja ihmisten terveydelle. Näistä syistä levyjä ei voida markkinoida.
Halogenoidut hybridiperovskiitit ovat puolijohdemateriaalien luokka, jotka ovat olleet viime vuosina erityisen tutkimuksen kohteena niiden merkittävien valosähköisten ominaisuuksien ja niiden sovellusten vuoksi aurinkosähköjärjestelmissä.
