มาตรฐานใหม่สำหรับเทคโนโลยีไฮโดรเจนสีเขียวที่กำหนดโดยวิศวกรของมหาวิทยาลัยไรซ์
วิศวกรของมหาวิทยาลัยไรซ์สามารถเลี้ยวได้ แสงแดดให้เป็นไฮโดรเจน ด้วยประสิทธิภาพที่ทำลายสถิติด้วยอุปกรณ์ที่ผสมผสานเจเนอเรชันใหม่เข้าด้วยกัน สารกึ่งตัวนำเฮไลด์เพอรอฟสกี้* ด้วย เครื่องเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้า ในอุปกรณ์เดียว ทนทาน คุ้มราคา และปรับขนาดได้
ตามที่ เรียน ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications อุปกรณ์ดังกล่าวมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนถึง 20.8%
เทคโนโลยีใหม่นี้เป็นก้าวสำคัญสำหรับพลังงานสะอาด และสามารถทำหน้าที่เป็นเวทีสำหรับปฏิกิริยาเคมีหลากหลายประเภทที่ใช้ไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ในการแปลง วัตถุดิบ เป็นเชื้อเพลิง
ห้องแล็บวิศวกรเคมีและชีวโมเลกุล อดิตยา โมฮิเต สร้างเครื่องปฏิกรณ์โฟโตรีแอคเตอร์แบบบูรณาการโดยใช้แผงกั้นป้องกันการกัดกร่อนที่ป้องกันเซมิคอนดักเตอร์จากน้ำ โดยไม่ขัดขวางการถ่ายโอนอิเล็กตรอน
Austin Fehr นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลและเป็นหนึ่งในผู้เขียนหลักของการศึกษานี้กล่าวว่า "การใช้แสงแดดเป็นแหล่งพลังงานในการผลิตสารเคมีถือเป็นอุปสรรคที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งต่อเศรษฐกิจพลังงานสะอาด
“เป้าหมายของเราคือการสร้างแพลตฟอร์มที่เป็นไปได้เชิงเศรษฐกิจที่สามารถสร้างเชื้อเพลิงจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้ ที่นี่ เราได้ออกแบบระบบที่ดูดซับแสงและทำให้เคมีไฟฟ้าสมบูรณ์ เคมีแยกน้ำ บนพื้นผิวของมัน”
อุปกรณ์นี้รู้จักกันในชื่อเซลล์โฟโตอิเล็กโตรเคมีเนื่องจากการดูดกลืนแสง การแปลงเป็นไฟฟ้า และการใช้ไฟฟ้าเพื่อผลิตปฏิกิริยาเคมี ล้วนเกิดขึ้นในอุปกรณ์เดียวกัน จนถึงขณะนี้ การใช้เทคโนโลยีโฟโตอิเล็กโทรเคมีเพื่อผลิตไฮโดรเจนสีเขียวถูกขัดขวางเนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำและต้นทุนที่สูงของเซมิคอนดักเตอร์
“อุปกรณ์ประเภทนี้ทั้งหมดผลิตไฮโดรเจนสีเขียวโดยใช้เพียงแสงแดดและน้ำ แต่อุปกรณ์ของเรามีความพิเศษเนื่องจากมีประสิทธิภาพทำลายสถิติและใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่มีราคาถูกมาก” Fehr กล่าว
พื้นที่ ห้องทดลองโมไฮต์ และผู้ร่วมงานได้สร้างอุปกรณ์โดยการเปลี่ยนอุปกรณ์ เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการแข่งขันสูง ให้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่สามารถใช้พลังงานที่เก็บเกี่ยวมาเพื่อแยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจน
ความท้าทายที่พวกเขาต้องเอาชนะคือเฮไลด์เพอร์รอฟสกี้* นั้นไม่เสถียรอย่างยิ่งในน้ำ และสารเคลือบที่ใช้เป็นฉนวนเซมิคอนดักเตอร์ท้ายที่สุดก็ไปรบกวนการทำงานของพวกมันหรือสร้างความเสียหายให้กับพวกมัน
“ในช่วงสองปีที่ผ่านมา เราได้กลับไปกลับมาลองใช้วัสดุและเทคนิคที่แตกต่างกัน” กล่าว ไมเคิล หว่องวิศวกรเคมีของ Rice และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยนี้
หลังจากการทดลองอันยาวนานล้มเหลวในการให้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ ในที่สุดนักวิจัยก็พบวิธีแก้ปัญหาที่ชนะเลิศ
“ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญของเราคือคุณต้องมีชั้นกั้นสองชั้น ชั้นหนึ่งเพื่อกั้นน้ำและอีกชั้นหนึ่งเพื่อให้มีการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ดีระหว่างชั้นเพอร์รอฟสไกต์และชั้นป้องกัน” Fehr กล่าว
“ผลลัพธ์ของเราคือประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับเซลล์โฟโตอิเล็กโทรเคมีที่ไม่มีความเข้มข้นของแสงอาทิตย์ และโดยรวมดีที่สุดสำหรับเซลล์ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์เฮไลด์เพอร์รอฟสไกต์
“นี่เป็นครั้งแรกสำหรับสาขาที่ถูกครอบงำโดยเซมิคอนดักเตอร์ที่มีราคาแพงในอดีต และอาจเป็นตัวแทนของเส้นทางสู่ความเป็นไปได้ทางการค้าสำหรับอุปกรณ์ประเภทนี้เป็นครั้งแรก” Fehr กล่าว
นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าการออกแบบแผงกั้นของพวกเขาใช้ได้กับปฏิกิริยาที่แตกต่างกันและกับเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถใช้งานได้กับหลายระบบ
Mohite กล่าวว่า "เราหวังว่าระบบดังกล่าวจะทำหน้าที่เป็นเวทีในการขับเคลื่อนอิเล็กตรอนหลากหลายชนิดไปสู่ปฏิกิริยาสร้างเชื้อเพลิงโดยใช้วัตถุดิบตั้งต้นที่มีเพียงแสงอาทิตย์เท่านั้น"
“ด้วยการปรับปรุงเสถียรภาพและขนาดเพิ่มเติม เทคโนโลยีนี้สามารถเปิดเศรษฐกิจไฮโดรเจนและเปลี่ยนวิธีที่มนุษย์สร้างสิ่งต่าง ๆ จากเชื้อเพลิงฟอสซิลไปเป็นเชื้อเพลิงแสงอาทิตย์” Fehr กล่าวเสริม
เพอรอฟสไกต์ – แร่นี้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าซิลิคอนและเปราะบางน้อยกว่า มันยังมีอยู่มากมายบนโลกอีกด้วย ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ความพยายามอย่างมากได้นำไปสู่การพัฒนาที่น่าทึ่ง แต่การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตยังคงเป็นความท้าทาย
เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสกี้ยังคงไม่เสถียรและเกิดริ้วรอยก่อนวัย ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีสารตะกั่ว ซึ่งเป็นวัสดุที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์อีกด้วย ด้วยเหตุผลเหล่านี้ แผงจึงไม่สามารถวางตลาดได้
เปอร์รอฟสกี้ลูกผสมฮาโลเจน เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ประเภทหนึ่งที่การวิจัยเฉพาะเจาะจงในช่วงไม่กี่ปีมานี้เกี่ยวกับคุณสมบัติโฟโตอิเล็กทริกที่โดดเด่นและการนำไปใช้ในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์
