Novi standard za tehnologiju zelenog vodika postavili su inženjeri Sveučilišta Rice.
Inženjeri Sveučilišta Rice mogu se obratiti sunčevu svjetlost u vodik s rekordnom učinkovitošću zahvaljujući uređaju koji kombinira sljedeću generaciju halid perovskitni poluvodiči* sa elektrokatalizatori u jednom, izdržljivom, ekonomičnom i skalabilnom uređaju.
Prema studija objavljeno u Nature Communications, uređaj je postigao učinkovitost pretvorbe solarne energije u vodik od 20.8%.
Nova tehnologija značajan je korak naprijed za čistu energiju i mogla bi poslužiti kao platforma za širok raspon kemijskih reakcija koje koriste solarnu električnu energiju za pretvorbu sirovine u goriva.
Laboratorij kemijskog i biomolekularnog inženjerstva Aditya Mohite izgradio je integrirani fotoreaktor koristeći antikorozivnu barijeru koja izolira poluvodič od vode bez ometanja prijenosa elektrona.
"Korištenje sunčeve svjetlosti kao izvora energije za proizvodnju kemikalija jedna je od najvećih prepreka ekonomiji čiste energije", rekao je Austin Fehr, doktorand kemijskog i biomolekularnog inženjerstva i jedan od vodećih autora studije.
“Naš cilj je izgraditi ekonomski isplative platforme koje mogu generirati solarna goriva. Ovdje smo dizajnirali sustav koji apsorbira svjetlost i završava elektrokemijski kemija razdvajanja vode na njegovoj površini.”
Uređaj je poznat kao fotoelektrokemijska ćelija jer se apsorpcija svjetlosti, njezino pretvaranje u električnu energiju i korištenje električne energije za pokretanje kemijske reakcije odvijaju u istom uređaju. Do sada je upotreba fotoelektrokemijske tehnologije za proizvodnju zelenog vodika bila ometana niskom učinkovitošću i visokom cijenom poluvodiča.
"Svi uređaji ove vrste proizvode zeleni vodik koristeći samo sunčevu svjetlost i vodu, ali naš je izniman jer ima rekordnu učinkovitost i koristi poluvodič koji je vrlo jeftin", rekao je Fehr.
Korištenje električnih romobila ističe Mohite laboratorij i njegovi suradnici stvorili su uređaj okretanjem svojih visoko konkurentne solarne ćelije u reaktor koji bi mogao koristiti skupljenu energiju za razdvajanje vode na kisik i vodik.
Izazov koji su morali prevladati bio je taj što su halid perovskiti* iznimno nestabilni u vodi, a premazi korišteni za izolaciju poluvodiča na kraju su ili poremetili njihovu funkciju ili ih oštetili.
"Tijekom posljednje dvije godine, išli smo naprijed-nazad isprobavajući različite materijale i tehnike", rekao je Michael Wong, kemijski inženjer Rice i koautor studije.
Nakon što dugotrajna ispitivanja nisu dala željeni rezultat, istraživači su konačno došli do pobjedničkog rješenja.
"Naš ključni uvid bio je da su potrebna dva sloja barijere, jedan za blokiranje vode i jedan za dobar električni kontakt između slojeva perovskita i zaštitnog sloja", rekao je Fehr.
“Naši rezultati su najveća učinkovitost za fotoelektrokemijske ćelije bez solarne koncentracije, i najbolji ukupno za one koje koriste halogenidne perovskitne poluvodiče.
"To je prvi put za područje kojim su povijesno dominirali pretjerano skupi poluvodiči i može predstavljati put do komercijalne izvedivosti za ovu vrstu uređaja po prvi put ikada", rekao je Fehr.
Istraživači su pokazali da njihov dizajn barijere funkcionira za različite reakcije i s različitim poluvodičima, što ga čini primjenjivim u mnogim sustavima.
"Nadamo se da će takvi sustavi poslužiti kao platforma za pokretanje širokog spektra elektrona u reakcijama formiranja goriva koristeći obilne sirovine uz samo sunčevu svjetlost kao unos energije", rekao je Mohite.
"S daljnjim poboljšanjima stabilnosti i razmjera, ova bi tehnologija mogla otvoriti gospodarstvo vodika i promijeniti način na koji ljudi proizvode stvari od fosilnih goriva do solarnih goriva", dodao je Fehr.
perovskit – Ovaj mineral ima veću vodljivost od silicija i manje je krhak. Također ga ima puno više na Zemlji. Tijekom posljednjeg desetljeća, znatni napori doveli su do spektakularnog razvoja, ali njegovo usvajanje u budućoj optoelektronici ostaje izazov.
Perovskitne fotonaponske ćelije još uvijek su nestabilne i podliježu preranom starenju. Štoviše, sadrže olovo, materijal koji je vrlo štetan za okoliš i ljudsko zdravlje. Iz tih razloga, ploče se ne mogu plasirati na tržište.
Halogenirani hibridni perovskiti su klasa poluvodičkih materijala koji su u fokusu posebnih istraživanja posljednjih godina zbog svojih izvanrednih fotoelektričnih svojstava i njihove primjene u fotonaponskim sustavima.
