Standar baru untuk teknologi hidrogen hijau yang ditetapkan oleh para insinyur Universitas Rice.
Insinyur Rice University bisa berubah sinar matahari menjadi hidrogen dengan efisiensi yang memecahkan rekor berkat perangkat yang menggabungkan generasi berikutnya semikonduktor perovskit halida* dengan elektrokatalis dalam satu perangkat yang tahan lama, hemat biaya, dan dapat diskalakan.
Menurut sebuah pelajaran dipublikasikan di Nature Communications, perangkat ini mencapai efisiensi konversi tenaga surya menjadi hidrogen sebesar 20.8%.
Teknologi baru ini merupakan langkah maju yang signifikan bagi energi bersih dan dapat berfungsi sebagai platform untuk berbagai reaksi kimia yang menggunakan listrik yang dipanen dari tenaga surya untuk mengubah energi menjadi energi ramah lingkungan. bahan baku menjadi bahan bakar.
Laboratorium insinyur kimia dan biomolekuler Aditya Mohite membangun fotoreaktor terintegrasi menggunakan penghalang anti korosi yang mengisolasi semikonduktor dari air tanpa menghalangi transfer elektron.
“Menggunakan sinar matahari sebagai sumber energi untuk memproduksi bahan kimia adalah salah satu rintangan terbesar menuju ekonomi energi bersih,” kata Austin Fehr, mahasiswa doktoral teknik kimia dan biomolekuler dan salah satu penulis utama studi tersebut.
“Tujuan kami adalah membangun platform yang layak secara ekonomi yang dapat menghasilkan bahan bakar yang berasal dari tenaga surya. Di sini, kami merancang sistem yang menyerap cahaya dan melengkapi elektrokimia kimia pemecah air di permukaannya.”
Perangkat ini dikenal sebagai sel fotoelektrokimia karena penyerapan cahaya, konversinya menjadi listrik, dan penggunaan listrik untuk menggerakkan reaksi kimia, semuanya terjadi pada perangkat yang sama. Hingga saat ini, penggunaan teknologi fotoelektrokimia untuk menghasilkan hidrogen ramah lingkungan terhambat oleh rendahnya efisiensi dan tingginya biaya semikonduktor.
“Semua perangkat jenis ini menghasilkan hidrogen hijau hanya dengan menggunakan sinar matahari dan air, namun perangkat kami luar biasa karena memiliki efisiensi yang memecahkan rekor dan menggunakan semikonduktor yang sangat murah,” kata Fehr.
Grafik laboratorium Mohite dan kolaboratornya menciptakan perangkat tersebut dengan memutarnya sel surya yang sangat kompetitif menjadi reaktor yang dapat menggunakan energi yang dikumpulkan untuk memecah air menjadi oksigen dan hidrogen.
Tantangan yang harus mereka atasi adalah perovskit halida* sangat tidak stabil dalam air dan lapisan yang digunakan untuk mengisolasi semikonduktor akhirnya mengganggu fungsinya atau merusaknya.
“Selama dua tahun terakhir, kami bolak-balik mencoba berbagai bahan dan teknik,” katanya Michael Wong, seorang insinyur kimia Rice dan rekan penulis penelitian ini.
Setelah uji coba yang panjang gagal memberikan hasil yang diinginkan, para peneliti akhirnya menemukan solusi terbaik.
“Pemahaman utama kami adalah bahwa Anda memerlukan dua lapisan penghalang, satu untuk memblokir air dan satu lagi untuk membuat kontak listrik yang baik antara lapisan perovskit dan lapisan pelindung,” kata Fehr.
“Hasil kami adalah efisiensi tertinggi untuk sel fotoelektrokimia tanpa konsentrasi matahari, dan yang terbaik secara keseluruhan untuk sel yang menggunakan semikonduktor halida perovskit.
“Ini adalah yang pertama dalam bidang yang secara historis didominasi oleh semikonduktor yang sangat mahal, dan mungkin merupakan jalan menuju kelayakan komersial untuk perangkat jenis ini untuk pertama kalinya,” kata Fehr.
Para peneliti menunjukkan bahwa desain penghalang mereka bekerja untuk reaksi yang berbeda dan dengan semikonduktor yang berbeda, sehingga dapat diterapkan di banyak sistem.
“Kami berharap sistem seperti ini akan berfungsi sebagai platform untuk menggerakkan berbagai macam elektron menuju reaksi pembentuk bahan bakar dengan menggunakan bahan baku melimpah dan hanya sinar matahari sebagai masukan energinya,” kata Mohite.
“Dengan peningkatan lebih lanjut pada stabilitas dan skala, teknologi ini dapat membuka ekonomi hidrogen dan mengubah cara manusia memproduksi bahan bakar fosil menjadi bahan bakar surya,” tambah Fehr.
Perovskit – Mineral ini memiliki konduktivitas lebih tinggi daripada silikon dan tidak terlalu rapuh. Jumlahnya juga jauh lebih banyak di Bumi. Selama dekade terakhir, banyak upaya telah menghasilkan perkembangan yang spektakuler, namun penerapannya dalam optoelektronik di masa depan masih merupakan tantangan.
Sel fotovoltaik perovskit masih tidak stabil dan mengalami penuaan dini. Terlebih lagi, bahan tersebut mengandung timbal, bahan yang sangat berbahaya bagi lingkungan dan kesehatan manusia. Oleh karena itu, panel tersebut tidak dapat dipasarkan.
Perovskit hibrida terhalogenasi adalah kelas bahan semikonduktor yang telah menjadi fokus penelitian khusus dalam beberapa tahun terakhir karena sifat fotolistriknya yang luar biasa dan penerapannya dalam sistem fotovoltaik.
