A Rice University mérnökei által felállított új szabvány a zöld hidrogéntechnológiában.
A Rice Egyetem mérnökei fordulhatnak napfény hidrogénné rekordhatékonysággal a következő generációt ötvöző készüléknek köszönhetően halogenid perovszkit félvezetők* val vel elektrokatalizátorok egyetlen, tartós, költséghatékony és méretezhető eszközben.
Szerint Egy tanulmány a Nature Communications-ben publikálva az eszköz 20.8%-os napenergiából hidrogénné konverziós hatásfokot ért el.
Az új technológia jelentős előrelépést jelent a tiszta energia terén, és platformként szolgálhat a kémiai reakciók széles skálájához, amelyek a napenergiával kinyert villamos energiát használják az átalakuláshoz. alapanyagok az üzemanyagokba.
A vegyész és biomolekuláris mérnök laborja Aditya Mohite megépítette az integrált fotoreaktort egy korróziógátló gát segítségével, amely elszigeteli a félvezetőt a víztől anélkül, hogy akadályozná az elektronok átvitelét.
"A napfény energiaforrásként történő felhasználása vegyszerek előállításához a tiszta energiagazdaság egyik legnagyobb akadálya" - mondta Austin Fehr, a vegyész- és biomolekuláris mérnök doktorandusz, a tanulmány egyik vezető szerzője.
„Az a célunk, hogy olyan gazdaságilag megvalósítható platformokat építsünk, amelyek képesek napenergiából származó tüzelőanyagok előállítására. Itt olyan rendszert terveztünk, amely elnyeli a fényt és befejezi az elektrokémiai folyamatokat vízosztó kémia a felszínén."
Az eszköz fotoelektrokémiai cellaként ismert, mivel a fény elnyelése, elektromossággá alakítása és az elektromosság kémiai reakciók végrehajtására való felhasználása ugyanabban az eszközben történik. Eddig a fotoelektrokémiai technológia zöld hidrogén előállítására való alkalmazását az alacsony hatásfok és a félvezetők magas költsége hátráltatta.
"Minden ilyen típusú eszköz zöld hidrogént állít elő, csak napfény és víz felhasználásával, de a miénk kivételes, mert rekordot dönt a hatékonysága, és nagyon olcsó félvezetőt használ" - mondta Fehr.
A Mohite labor és munkatársai saját maguk forgatásával hozták létre az eszközt rendkívül versenyképes napelem egy reaktorba, amely a begyűjtött energiát felhasználva a vizet oxigénre és hidrogénre bonthatja.
A kihívás, amellyel le kellett küzdeniük, az volt, hogy a halogenid-perovszkitek* rendkívül instabilak a vízben, és a félvezetők szigetelésére használt bevonatok végül vagy megzavarták működésüket, vagy károsodtak.
„Az elmúlt két évben oda-vissza próbálkoztunk különböző anyagokkal és technikákkal” – mondta Michael Wong, Rice vegyészmérnök és a tanulmány társszerzője.
Miután a hosszas kísérletezések nem hozták meg a kívánt eredményt, a kutatók végül nyerő megoldásra bukkantak.
„A legfontosabb meglátásunk az volt, hogy két rétegre van szükség a gáthoz, az egyik a víz elzárásához, a másik pedig a jó elektromos érintkezés biztosításához a perovszkit rétegek és a védőréteg között” – mondta Fehr.
„Eredményeink a legmagasabb hatásfok a napsugárzás nélküli fotoelektrokémiai cellák esetében, és összességében a legjobb a halogenid perovszkit félvezetőket használók esetében.
"Ez az első egy olyan területen, ahol a történelem során a megfizethetetlenül drága félvezetők domináltak, és először jelenthet utat az ilyen típusú eszközök kereskedelmi megvalósíthatóságához" - mondta Fehr.
A kutatók kimutatták, hogy gáttervezésük különböző reakciókra és különböző félvezetőkkel működik, így számos rendszerben alkalmazható.
„Reméljük, hogy az ilyen rendszerek platformként szolgálnak majd az elektronok széles skálájának tüzelőanyag-képző reakciókhoz való eljuttatásához, bőséges nyersanyag felhasználásával, csak a napfény energiabevitelével” – mondta Mohite.
"A stabilitás és a méretarány további javításával ez a technológia megnyithatja a hidrogén-gazdaságot, és megváltoztathatja azt a módot, ahogyan az emberek fosszilis tüzelőanyagokból napenergiát használnak" - tette hozzá Fehr.
perovskit – Ennek az ásványnak nagyobb a vezetőképessége, mint a szilíciumnak, és kevésbé törékeny. A Földön is sokkal nagyobb mennyiségben van jelen. Az elmúlt évtizedben jelentős erőfeszítések látványos fejlesztésekhez vezettek, de a jövőbeni optoelektronikában való alkalmazása továbbra is kihívást jelent.
A perovskit fotovoltaikus cellák még mindig instabilok, és idő előtt elöregednek. Ráadásul ólmot tartalmaznak, amely nagyon káros a környezetre és az emberi egészségre. Ezen okok miatt a panelek nem forgalmazhatók.
Halogénezett hibrid perovszkitek A félvezető anyagok egy osztálya, amelyek az elmúlt években különös kutatások középpontjába kerültek figyelemre méltó fotoelektromos tulajdonságaik és fotovoltaikus rendszerekben való alkalmazásaik miatt.
