Nowy standard technologii zielonego wodoru ustalony przez inżynierów z Rice University.
Inżynierowie z Rice University mogą się odwrócić światło słoneczne w wodór z rekordową wydajnością dzięki urządzeniu łączącemu w sobie technologię nowej generacji Halogenkowe półprzewodniki perowskitowe* z elektrokatalizatory w jednym, trwałym, ekonomicznym i skalowalnym urządzeniu.
Zgodnie z badanie opublikowane w Nature Communications, urządzenie osiągnęło sprawność konwersji energii słonecznej na wodór na poziomie 20.8%.
Nowa technologia stanowi znaczący krok naprzód w kierunku czystej energii i może służyć jako platforma dla szerokiego zakresu reakcji chemicznych, w których do konwersji wykorzystuje się energię elektryczną pozyskiwaną ze słońca. surowce w paliwa.
Laboratorium inżyniera chemicznego i biomolekularnego Aditya Mohite zbudował zintegrowany fotoreaktor wykorzystujący barierę antykorozyjną, która izoluje półprzewodnik od wody, nie utrudniając przenoszenia elektronów.
„Wykorzystywanie światła słonecznego jako źródła energii do produkcji chemikaliów to jedna z największych przeszkód na drodze do gospodarki czystą energią” – powiedział Austin Fehr, doktorant inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz jeden z głównych autorów badania.
„Naszym celem jest zbudowanie opłacalnych ekonomicznie platform, które będą w stanie wytwarzać paliwa pochodzące z energii słonecznej. Tutaj zaprojektowaliśmy system pochłaniający światło i dopełniający elektrochemię chemia rozkładająca wodę na jego powierzchni.”
Urządzenie to nazywane jest ogniwem fotoelektrochemicznym, ponieważ absorpcja światła, jego konwersja na energię elektryczną i wykorzystanie energii elektrycznej do zasilenia reakcji chemicznej zachodzą w tym samym urządzeniu. Do tej pory wykorzystanie technologii fotoelektrochemicznej do produkcji zielonego wodoru było utrudnione ze względu na niską wydajność i wysoki koszt półprzewodników.
„Wszystkie urządzenia tego typu wytwarzają zielony wodór, wykorzystując wyłącznie światło słoneczne i wodę, ale nasze jest wyjątkowe, ponieważ ma rekordową wydajność i wykorzystuje bardzo tani półprzewodnik” – powiedział Fehr.
Połączenia Laboratorium Mohite'a i jego współpracownicy stworzyli urządzenie, obracając je wysoce konkurencyjne ogniwo słoneczne w reaktor, który mógłby wykorzystać zebraną energię do rozbicia wody na tlen i wodór.
Wyzwanie, jakie musieli pokonać, polegało na tym, że perowskity halogenkowe* są wyjątkowo niestabilne w wodzie, a powłoki stosowane do izolacji półprzewodników albo zakłócały ich działanie, albo je uszkadzały.
„W ciągu ostatnich dwóch lat wielokrotnie wypróbowywaliśmy różne materiały i techniki” – powiedział Michaela Wonga, inżynier chemik Rice i współautor badania.
Po długich próbach, które nie przyniosły pożądanego rezultatu, badacze w końcu znaleźli zwycięskie rozwiązanie.
„Nasz kluczowy wniosek był taki, że bariera wymagała dwóch warstw, jednej do blokowania wody i drugiej do zapewnienia dobrego kontaktu elektrycznego między warstwami perowskitu a warstwą ochronną” – powiedział Fehr.
„Nasze wyniki to najwyższa wydajność w przypadku ogniw fotoelektrochemicznych bez koncentracji energii słonecznej i najlepsza ogólnie w przypadku ogniw wykorzystujących półprzewodniki halogenkowo-perowskitowe.
„To nowość w dziedzinie, która w przeszłości była zdominowana przez zbyt drogie półprzewodniki, i może po raz pierwszy w historii stanowić drogę do komercyjnej wykonalności tego typu urządzenia” – powiedział Fehr.
Naukowcy wykazali, że ich konstrukcja bariery sprawdza się w przypadku różnych reakcji i różnych półprzewodników, dzięki czemu można ją zastosować w wielu systemach.
„Mamy nadzieję, że takie systemy posłużą jako platforma do kierowania szerokiego zakresu elektronów do reakcji tworzących paliwo przy użyciu obfitych surowców, a źródłem energii będzie wyłącznie światło słoneczne” – powiedział Mohite.
„Dzięki dalszej poprawie stabilności i skali technologia ta może otworzyć drogę do gospodarki wodorowej i zmienić sposób, w jaki ludzie przetwarzają paliwa kopalne na słoneczne” – dodał Fehr.
Perowskit – Ten minerał ma wyższą przewodność niż krzem i jest mniej kruchy. Jest także znacznie liczniejszy na Ziemi. W ciągu ostatniej dekady znaczne wysiłki doprowadziły do spektakularnego rozwoju, ale jego zastosowanie w przyszłej optoelektronice pozostaje wyzwaniem.
Perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne są w dalszym ciągu niestabilne i ulegają przedwczesnemu starzeniu. Co więcej, zawierają ołów, substancję bardzo szkodliwą dla środowiska i zdrowia ludzkiego. Z tych powodów panele nie mogą być wprowadzane do obrotu.
Halogenowane perowskity hybrydowe to klasa materiałów półprzewodnikowych, które w ostatnich latach były przedmiotem szczegółowych badań ze względu na ich niezwykłe właściwości fotoelektryczne i ich zastosowania w systemach fotowoltaicznych.
