Nový štandard pre technológiu zeleného vodíka stanovený inžiniermi z Rice University.
Inžinieri z Rice University sa vedia obracať slnečné svetlo na vodík s rekordnou účinnosťou vďaka zariadeniu, ktoré kombinuje novú generáciu halogenidové perovskitové polovodiče* s elektrokatalyzátory v jedinom, odolnom, cenovom a škálovateľnom zariadení.
Podľa štúdium publikované v Nature Communications, zariadenie dosiahlo 20.8% účinnosť premeny slnka na vodík.
Nová technológia je významným krokom vpred pre čistú energiu a mohla by slúžiť ako platforma pre širokú škálu chemických reakcií, ktoré využívajú na premenu elektriny získanú zo slnka. suroviny do palív.
Laboratórium chemického a biomolekulového inžiniera Aditya Mohite postavil integrovaný fotoreaktor s použitím antikoróznej bariéry, ktorá izoluje polovodič od vody bez toho, aby bránila prenosu elektrónov.
„Používanie slnečného svetla ako zdroja energie na výrobu chemikálií je jednou z najväčších prekážok ekonomiky čistej energie,“ povedal Austin Fehr, doktorand chemického a biomolekulového inžinierstva a jeden z hlavných autorov štúdie.
„Naším cieľom je vybudovať ekonomicky uskutočniteľné platformy, ktoré dokážu generovať palivá získané zo slnka. Tu sme navrhli systém, ktorý absorbuje svetlo a dokončuje elektrochemické spracovanie chémia rozdeľujúca vodu na jeho povrchu."
Zariadenie je známe ako fotoelektrochemický článok, pretože absorpcia svetla, jeho premena na elektrinu a využitie elektriny na napájanie chemickej reakcie sa odohrávajú v tom istom zariadení. Až doteraz bolo používanie fotoelektrochemickej technológie na výrobu zeleného vodíka brzdené nízkou účinnosťou a vysokými nákladmi na polovodiče.
"Všetky zariadenia tohto typu produkujú zelený vodík iba pomocou slnečného svetla a vody, ale naše je výnimočné, pretože má rekordnú účinnosť a používa polovodič, ktorý je veľmi lacný," povedal Fehr.
Mohite laboratórium a jeho spolupracovníci vytvorili zariadenie otáčaním svojich vysoko konkurencieschopný solárny článok do reaktora, ktorý by mohol využiť zozbieranú energiu na rozdelenie vody na kyslík a vodík.
Výzvou, ktorú museli prekonať, bolo, že halogenidové perovskity* sú extrémne nestabilné vo vode a povlaky používané na izoláciu polovodičov buď narušili ich funkciu, alebo ich poškodili.
„Za posledné dva roky sme skúšali rôzne materiály a techniky,“ povedal Michael Wong, chemický inžinier Rice a spoluautor štúdie.
Po zdĺhavých pokusoch, ktoré nepriniesli želaný výsledok, vedci konečne narazili na víťazné riešenie.
"Naším kľúčovým poznatkom bolo, že ste na bariéru potrebovali dve vrstvy, jednu na blokovanie vody a druhú na vytvorenie dobrého elektrického kontaktu medzi vrstvami perovskitu a ochrannou vrstvou," povedal Fehr.
„Naše výsledky sú najvyššia účinnosť pre fotoelektrochemické články bez koncentrácie slnka a celkovo najlepšie pre tie, ktoré používajú halogenidové perovskitové polovodiče.
"Je to prvé v oblasti, v ktorej historicky dominovali neúmerne drahé polovodiče a môže predstavovať cestu ku komerčnej uskutočniteľnosti tohto typu zariadenia vôbec po prvýkrát," povedal Fehr.
Výskumníci ukázali, že ich bariérový dizajn funguje pre rôzne reakcie a s rôznymi polovodičmi, vďaka čomu je použiteľný v mnohých systémoch.
"Dúfame, že takéto systémy budú slúžiť ako platforma na poháňanie širokého spektra elektrónov k reakciám tvoriacim palivo s použitím bohatých surovín s iba slnečným žiarením ako energetickým vstupom," povedal Mohite.
„S ďalšími zlepšeniami stability a rozsahu by táto technológia mohla otvoriť vodíkovú ekonomiku a zmeniť spôsob, akým ľudia vyrábajú veci z fosílnych palív na solárne,“ dodal Fehr.
perovskit – Tento minerál má vyššiu vodivosť ako kremík a je menej krehký. Na Zemi je tiež oveľa hojnejší. Za posledné desaťročie viedlo značné úsilie k pozoruhodnému vývoju, ale jeho prijatie do budúcej optoelektroniky zostáva výzvou.
Perovskitové fotovoltaické články sú stále nestabilné a podliehajú predčasnému starnutiu. Navyše obsahujú olovo, materiál veľmi škodlivý pre životné prostredie a ľudské zdravie. Z týchto dôvodov nemôžu byť panely uvádzané na trh.
Halogénované hybridné perovskity sú triedou polovodičových materiálov, ktoré boli v posledných rokoch predmetom osobitného výskumu pre ich pozoruhodné fotoelektrické vlastnosti a ich aplikácie vo fotovoltaických systémoch.
