Nieuwe standaard voor groene waterstoftechnologie vastgesteld door ingenieurs van Rice University.
Ingenieurs van Rice University kunnen zich wenden zonlicht omgezet in waterstof met recordbrekende efficiëntie dankzij een apparaat dat de volgende generatie combineert halogenide perovskiet halfgeleiders* met elektrokatalysatoren in één enkel, duurzaam, kosteneffectief en schaalbaar apparaat.
Think Een studie gepubliceerd in Nature Communications, behaalde het apparaat een conversie-efficiëntie van 20.8% van zonne-energie naar waterstof.
De nieuwe technologie is een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van schone energie en zou kunnen dienen als platform voor een breed scala aan chemische reacties waarbij elektriciteit uit zonne-energie wordt gebruikt om energie om te zetten in energie. grondstoffen in brandstoffen.
Het laboratorium van chemisch en biomoleculair ingenieur Aditya Mohite bouwde de geïntegreerde fotoreactor met behulp van een corrosiewerende barrière die de halfgeleider isoleert van water zonder de overdracht van elektronen te belemmeren.
"Het gebruik van zonlicht als energiebron voor de productie van chemicaliën is een van de grootste hindernissen voor een schone energie-economie", zegt Austin Fehr, een doctoraatsstudent chemische en biomoleculaire technologie en een van de hoofdauteurs van het onderzoek.
“Ons doel is om economisch haalbare platforms te bouwen die brandstoffen uit zonne-energie kunnen opwekken. Hier hebben we een systeem ontworpen dat licht absorbeert en de elektrochemische werking voltooit watersplitsende chemie op het oppervlak.”
Het apparaat staat bekend als een foto-elektrochemische cel omdat de absorptie van licht, de omzetting ervan in elektriciteit en het gebruik van de elektriciteit om een chemische reactie aan te drijven allemaal in hetzelfde apparaat plaatsvinden. Tot nu toe werd het gebruik van foto-elektrochemische technologie voor de productie van groene waterstof belemmerd door de lage efficiëntie en de hoge kosten van halfgeleiders.
“Alle apparaten van dit type produceren groene waterstof met alleen zonlicht en water, maar de onze is uitzonderlijk omdat deze een recordbrekende efficiëntie heeft en een halfgeleider gebruikt die erg goedkoop is”, aldus Fehr.
De Mohite-laboratorium en zijn medewerkers creëerden het apparaat door hun te draaien zeer concurrerende zonnecel in een reactor die de geoogste energie zou kunnen gebruiken om water in zuurstof en waterstof te splitsen.
De uitdaging die ze moesten overwinnen was dat halogenide-perovskieten* uiterst onstabiel zijn in water en dat coatings die werden gebruikt om de halfgeleiders te isoleren uiteindelijk hun functie verstoorden of beschadigden.
“De afgelopen twee jaar hebben we verschillende materialen en technieken geprobeerd”, zegt hij Michael Wong, een chemisch ingenieur van Rice en co-auteur van het onderzoek.
Nadat langdurige tests niet het gewenste resultaat opleverden, kwamen de onderzoekers uiteindelijk een winnende oplossing tegen.
“Ons belangrijkste inzicht was dat je twee lagen nodig had voor de barrière, één om het water tegen te houden en één om goed elektrisch contact te maken tussen de perovskietlagen en de beschermende laag”, zegt Fehr.
“Onze resultaten zijn de hoogste efficiëntie voor foto-elektrochemische cellen zonder zonneconcentratie, en de beste overall voor cellen die halide-perovskiet-halfgeleiders gebruiken.
“Het is een primeur in een veld dat van oudsher gedomineerd werd door onbetaalbaar dure halfgeleiders, en zou voor de eerste keer ooit een weg kunnen betekenen naar commerciële haalbaarheid voor dit type apparaat”, aldus Fehr.
De onderzoekers toonden aan dat hun barrièreontwerp werkte voor verschillende reacties en met verschillende halfgeleiders, waardoor het toepasbaar werd op veel systemen.
“We hopen dat dergelijke systemen zullen dienen als een platform voor het aandrijven van een breed scala aan elektronen voor brandstofvormende reacties met behulp van overvloedige grondstoffen met alleen zonlicht als energie-input,” zei Mohite.
“Met verdere verbeteringen op het gebied van stabiliteit en schaal zou deze technologie de waterstofeconomie kunnen openen en de manier kunnen veranderen waarop mensen dingen maken van fossiele brandstoffen naar zonnebrandstoffen,” voegde Fehr eraan toe.
Perovskiet – Dit mineraal heeft een hogere geleidbaarheid dan silicium en is minder kwetsbaar. Het is ook veel overvloediger op aarde. De afgelopen tien jaar hebben aanzienlijke inspanningen geleid tot spectaculaire ontwikkelingen, maar de toepassing ervan in de toekomstige opto-elektronica blijft een uitdaging.
Perovskiet-fotovoltaïsche cellen zijn nog steeds onstabiel en ondergaan vroegtijdige veroudering. Bovendien bevatten ze lood, een materiaal dat zeer schadelijk is voor het milieu en de menselijke gezondheid. Om deze redenen kunnen de panelen niet op de markt worden gebracht.
Gehalogeneerde hybride perovskieten zijn een klasse van halfgeleidermaterialen die de afgelopen jaren het middelpunt van bijzonder onderzoek zijn geweest vanwege hun opmerkelijke foto-elektrische eigenschappen en hun toepassingen in fotovoltaïsche systemen.
