Ny standard for grønn hydrogenteknologi satt av Rice University-ingeniører.
Rice University-ingeniører kan snu sollys til hydrogen med rekordslående effektivitet takket være en enhet som kombinerer neste generasjon halogenid perovskitt halvledere* med elektrokatalysatorer i en enkelt, holdbar, kostnadseffektiv og skalerbar enhet.
Ifølge en studie publisert i Nature Communications, oppnådde enheten en konverteringseffektivitet på 20.8 % sol-til-hydrogen.
Den nye teknologien er et betydelig skritt fremover for ren energi og kan tjene som en plattform for et bredt spekter av kjemiske reaksjoner som bruker solfangst elektrisitet til å konvertere råvarer til drivstoff.
Laboratoriet til kjemisk og biomolekylær ingeniør Aditya Mohite bygget den integrerte fotoreaktoren ved hjelp av en anti-korrosjonsbarriere som isolerer halvlederen fra vann uten å hindre overføring av elektroner.
"Å bruke sollys som energikilde for å produsere kjemikalier er en av de største hindringene for en ren energiøkonomi," sa Austin Fehr, doktorgradsstudent i kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap og en av studiens hovedforfattere.
"Vårt mål er å bygge økonomisk gjennomførbare plattformer som kan generere solenergi-derivert drivstoff. Her har vi designet et system som absorberer lys og fullfører elektrokjemisk vannsplittende kjemi på overflaten.»
Enheten er kjent som en fotoelektrokjemisk celle fordi absorpsjonen av lys, dets konvertering til elektrisitet og bruken av elektrisiteten til å drive en kjemisk reaksjon alle skjer i den samme enheten. Inntil nå har bruk av fotoelektrokjemisk teknologi for å produsere grønt hydrogen vært hemmet av lav effektivitet og høye kostnader for halvledere.
"Alle enheter av denne typen produserer grønt hydrogen ved å bruke bare sollys og vann, men vår er eksepsjonell fordi den har rekordeffektiv effektivitet og den bruker en halvleder som er veldig billig," sa Fehr.
De Mohite lab og dets samarbeidspartnere opprettet enheten ved å snu deres svært konkurransedyktig solcelle inn i en reaktor som kunne bruke høstet energi til å splitte vann til oksygen og hydrogen.
Utfordringen de måtte overvinne var at halogenidperovskitter* er ekstremt ustabile i vann, og belegg som ble brukt til å isolere halvlederne endte opp med enten å forstyrre funksjonen eller skade dem.
"I løpet av de siste to årene har vi gått frem og tilbake og prøvd forskjellige materialer og teknikker," sa Michael Wong, en Rice kjemisk ingeniør og medforfatter på studien.
Etter at lange forsøk ikke klarte å gi ønsket resultat, kom forskerne til slutt over en vinnende løsning.
"Nøkkelinnsikten vår var at du trengte to lag til barrieren, ett for å blokkere vannet og ett for å lage god elektrisk kontakt mellom perovskittlagene og det beskyttende laget," sa Fehr.
"Våre resultater er den høyeste effektiviteten for fotoelektrokjemiske celler uten solkonsentrasjon, og de beste totalt sett for de som bruker halogenidperovskitt-halvledere.
"Det er den første for et felt som historisk har vært dominert av uoverkommelig dyre halvledere, og kan representere en vei til kommersiell gjennomførbarhet for denne typen enheter for første gang noensinne," sa Fehr.
Forskerne viste at barrieredesignet deres fungerte for forskjellige reaksjoner og med forskjellige halvledere, noe som gjorde det anvendelig på tvers av mange systemer.
"Vi håper at slike systemer vil tjene som en plattform for å drive et bredt spekter av elektroner til drivstoffdannende reaksjoner ved å bruke rikelig råmateriale med kun sollys som energitilførsel," sa Mohite.
"Med ytterligere forbedringer av stabilitet og skala, kan denne teknologien åpne opp hydrogenøkonomien og endre måten mennesker lager ting fra fossilt brensel til solbrensel," la Fehr til.
Perovskitt – Dette mineralet har høyere ledningsevne enn silisium og er mindre skjørt. Det er også mye rikere på jorden. I løpet av det siste tiåret har betydelig innsats ført til spektakulær utvikling, men bruken av den i fremtidig optoelektronikk er fortsatt en utfordring.
Perovskitt fotovoltaiske celler er fortsatt ustabile og gjennomgår for tidlig aldring. Dessuten inneholder de bly, et materiale som er svært skadelig for miljøet og menneskers helse. Av disse grunnene kan panelene ikke markedsføres.
Halogenerte hybridperovskitter er en klasse av halvledermaterialer som har vært i fokus for spesiell forskning de siste årene for deres bemerkelsesverdige fotoelektriske egenskaper og deres anvendelser i fotovoltaiske systemer.
