Rekordní účinnost a levný polovodič, nové solární zařízení vyrábějící zelený vodík může podpořit vodíkovou revoluci
Inženýři z Riceovy univerzity vyvinuli zařízení, které dokáže přeměnit sluneční světlo na vodík s nebývalou účinností. Nová technologie je významným krokem vpřed v oblasti čisté energie a mohla by sloužit jako platforma pro širokou škálu chemických reakcí, které využívají elektřinu získanou ze slunečního záření k přeměně vstupních surovin na paliva, uvádí SciTechDaily.
Inženýři z Riceovy univerzity mohou přeměňovat sluneční světlo na vodík s rekordní účinností díky zařízení, které kombinuje halidové perovskitové polovodiče nové generace s elektrokatalyzátory v jediném, odolném, nákladově efektivním zařízení.
Revoluční konstrukce fotoreaktoru
Laboratoř Adityi Mohiteho, která se specializuje na chemické a biomolekulární inženýrství, stála v čele konstrukce tohoto integrovaného fotoreaktoru. Klíčovým prvkem v konstrukci zařízení je antikorozní bariéra, která účinně izoluje polovodič od vody, aniž by bránila přenosu elektronů. Jak uvádí studie zveřejněná v časopise Nature Communications, zařízení se může pochlubit působivou 20,8% účinností přeměny slunečního záření na vodík.
Austin Fehr, doktorand chemického a biomolekulárního inženýrství a jeden z hlavních autorů studie, zdůraznil význam této práce. „Využití slunečního světla jako zdroje energie pro výrobu chemických látek je jednou z největších překážek na cestě k čisté energii. Naším cílem je vytvořit ekonomicky proveditelné platformy, které mohou vyrábět paliva získaná ze slunečního záření. Zde jsme navrhli systém, který absorbuje světlo a na svém povrchu dokončuje elektrolýzu vody.“
Překonávání problémů s fotoelektrochemickými články
Zařízení se nazývá fotoelektrochemický článek, protože k absorpci světla, jeho přeměně na elektřinu a využití elektřiny k pohonu chemické reakce dochází v jednom zařízení. Využití fotoelektrochemické technologie k výrobě ekologického vodíku dosud bránila nízká účinnost a vysoká cena polovodičů.
Fehr vysvětlil rozdílnost jejich vynálezu: „Všechna zařízení tohoto typu vyrábějí zelený vodík pouze pomocí slunečního světla a vody, ale naše zařízení je výjimečné, protože má rekordní účinnost a používá velmi levný polovodič.“
Obrázek: Série čtyř snímků z ukázkového videa, které ukazuje, jak fotoreaktor z Riceovy univerzity štěpí molekuly vody a vytváří vodík při simulovaném slunečním světle (Mohite laboratoř/Riceova univerzita)
Cesta za inovacemi a perspektiva do budoucna
Laboratoř Mohite a její spolupracovníci vytvořili zařízení tak, že svůj vysoce konkurenceschopný solární článek přeměnili na reaktor, který by mohl využívat získanou energii ke štěpení vody na kyslík a vodík. Problém, který museli překonat, spočíval v tom, že halogenidové perovskity jsou ve vodě extrémně nestabilní a materiály použité k izolaci polovodičů nakonec buď narušily jejich funkci, nebo je poškodily.
„Během posledních dvou let jsme zkoušeli různé materiály a techniky,“ řekl Michael Wong, chemický inženýr z Riceovy univerzity a spoluautor studie.
Poté, co zdlouhavé pokusy nepřinesly kýžený výsledek, výzkumníci nakonec narazili na vítězné řešení.
„Naším klíčovým poznatkem bylo, že potřebujete dvě vrstvy ochrany/bariéry, jednu, která blokuje vodu, a druhou, která zajišťuje dobrý elektrický kontakt mezi perovskitovými vrstvami a ochrannou vrstvou. Jedná se o první objev v oblasti, které v minulosti dominovaly neúměrně drahé polovodiče, a může představovat cestu ke komerční realizovatelnosti tohoto typu zařízení vůbec poprvé,“ uvedl Fehr.
Výzkumníci ukázali, že jejich návrh bariéry funguje pro různé reakce a s různými polovodiči, takže je použitelný v mnoha systémech.
„Doufáme, že takové systémy budou sloužit jako platforma pro pohánění široké škály elektronů do reakcí vytvářejících palivo z lehce dostupných vstupních surovin pouze se slunečním světlem jako vstupní energií,“ uvedl Mohite.
„S dalšími pokroky by tato technologie mohla otevřít vodíkové hospodářství a změnit způsob, jakým lidé vyrábějí věci z fosilních paliv za pomoci solárního paliva,“ dodal Fehr.
Další informace: Siraj Sidhik et al, Deterministická výroba 3D/2D perovskitových dvojvrstvých svazků pro odolné a účinné solární články, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abq7652 . www.science.org/doi/10.1126/science.abq7652