Piawaian baharu untuk teknologi hidrogen hijau yang ditetapkan oleh jurutera Universiti Rice.
Jurutera Universiti Rice boleh bertukar cahaya matahari menjadi hidrogen dengan kecekapan memecahkan rekod berkat peranti yang menggabungkan generasi akan datang semikonduktor perovskit halida* dengan pemangkin elektrik dalam satu peranti, tahan lama, kos efektif dan berskala.
Menurut kajian diterbitkan dalam Nature Communications, peranti itu mencapai kecekapan penukaran solar-ke-hidrogen sebanyak 20.8%.
Teknologi baharu ini merupakan langkah penting ke hadapan untuk tenaga bersih dan boleh berfungsi sebagai platform untuk pelbagai tindak balas kimia yang menggunakan tenaga elektrik yang dituai suria untuk menukar bahan mentah menjadi bahan api.
Makmal jurutera kimia dan biomolekul Aditya Mohite membina fotoreaktor bersepadu menggunakan penghalang antikarat yang melindungi semikonduktor daripada air tanpa menghalang pemindahan elektron.
"Menggunakan cahaya matahari sebagai sumber tenaga untuk mengeluarkan bahan kimia adalah salah satu halangan terbesar kepada ekonomi tenaga bersih," kata Austin Fehr, pelajar kedoktoran kejuruteraan kimia dan biomolekul dan salah seorang penulis utama kajian itu.
“Matlamat kami adalah untuk membina platform yang boleh dilaksanakan secara ekonomi yang boleh menjana bahan api terbitan solar. Di sini, kami mereka bentuk sistem yang menyerap cahaya dan melengkapkan elektrokimia kimia pemisah air pada permukaannya.”
Peranti ini dikenali sebagai sel fotoelektrokimia kerana penyerapan cahaya, penukarannya kepada elektrik dan penggunaan elektrik untuk menggerakkan tindak balas kimia semuanya berlaku dalam peranti yang sama. Sehingga kini, penggunaan teknologi fotoelektrokimia untuk menghasilkan hidrogen hijau terhalang oleh kecekapan yang rendah dan kos semikonduktor yang tinggi.
"Semua peranti jenis ini menghasilkan hidrogen hijau menggunakan hanya cahaya matahari dan air, tetapi peranti kami adalah luar biasa kerana ia mempunyai kecekapan memecahkan rekod dan ia menggunakan semikonduktor yang sangat murah," kata Fehr.
. Makmal Mohite dan rakan usaha samanya mencipta peranti itu dengan mengubahnya sel suria yang sangat berdaya saing ke dalam reaktor yang boleh menggunakan tenaga yang dituai untuk membelah air kepada oksigen dan hidrogen.
Cabaran yang perlu mereka atasi ialah perovskit halida* sangat tidak stabil dalam air dan salutan yang digunakan untuk menebat semikonduktor akhirnya sama ada mengganggu fungsinya atau merosakkannya.
"Sejak dua tahun kebelakangan ini, kami telah berulang-alik mencuba bahan dan teknik yang berbeza," kata Michael Wong, seorang jurutera kimia beras dan pengarang bersama dalam kajian itu.
Selepas percubaan yang panjang gagal membuahkan hasil yang diinginkan, para penyelidik akhirnya menemui penyelesaian yang menang.
"Wawasan utama kami ialah anda memerlukan dua lapisan untuk penghalang, satu untuk menyekat air dan satu untuk membuat sentuhan elektrik yang baik antara lapisan perovskite dan lapisan pelindung," kata Fehr.
"Hasil kami adalah kecekapan tertinggi untuk sel fotoelektrokimia tanpa kepekatan suria, dan keseluruhan terbaik untuk mereka yang menggunakan semikonduktor perovskite halida.
"Ia adalah yang pertama untuk bidang yang secara sejarahnya telah dikuasai oleh semikonduktor yang sangat mahal, dan mungkin mewakili laluan kepada kebolehlaksanaan komersial untuk jenis peranti ini buat kali pertama," kata Fehr.
Para penyelidik menunjukkan reka bentuk penghalang mereka berfungsi untuk tindak balas yang berbeza dan dengan semikonduktor yang berbeza, menjadikannya terpakai di banyak sistem.
"Kami berharap sistem sedemikian akan berfungsi sebagai platform untuk memacu rangkaian luas elektron kepada tindak balas membentuk bahan api menggunakan bahan suapan yang banyak dengan hanya cahaya matahari sebagai input tenaga," kata Mohite.
"Dengan penambahbaikan selanjutnya kepada kestabilan dan skala, teknologi ini boleh membuka ekonomi hidrogen dan mengubah cara manusia membuat sesuatu daripada bahan api fosil kepada bahan api solar," tambah Fehr.
Perovskite – Mineral ini mempunyai kekonduksian yang lebih tinggi daripada silikon dan kurang rapuh. Ia juga jauh lebih banyak di Bumi. Sepanjang dekad yang lalu, banyak usaha telah membawa kepada perkembangan yang menakjubkan, tetapi penggunaannya dalam optoelektronik masa depan masih menjadi cabaran.
Sel fotovoltaik perovskite masih tidak stabil dan mengalami penuaan pramatang. Apatah lagi, ia mengandungi plumbum, bahan yang sangat berbahaya kepada alam sekitar dan kesihatan manusia. Atas sebab ini, panel tidak boleh dipasarkan.
Perovskit hibrid berhalogen ialah kelas bahan semikonduktor yang telah menjadi tumpuan penyelidikan tertentu dalam beberapa tahun kebelakangan ini untuk sifat fotoelektrik yang luar biasa dan aplikasinya dalam sistem fotovoltan.
