Inżynierowie z Uniwersytetu Rice potrafią przekształcić światło słoneczne w wodór z rekordową efektywnością dzięki urządzeniu, które łączy półprzewodniki z halogenkami perowskitu nowej generacji z elektrokatalitykami w jednym, trwałym, ekonomicznym i skalowalnym urządzeniu.
Nowa technologia to znaczący krok naprzód dla czystej energii i mogłaby służyć jako platforma dla szerokiego zakresu reakcji chemicznych, które wykorzystują energię elektryczną pozyskaną ze słońca do przekształcania surowców w paliwa.
Laboratorium inżyniera chemicznego i biomolekularnego Aditya Mohite zbudowało zintegrowany fotoreaktor, używając bariery przeciwkorozyjnej, która izoluje półprzewodnik od wody, nie przeszkadzając w transferze elektronów. Według badania opublikowanego w Nature Communications, urządzenie osiągnęło 20,8% efektywności konwersji słonecznej na wodór.
„Wykorzystanie światła słonecznego jako źródła energii do produkcji chemikaliów to jedna z największych przeszkód na drodze do czystej gospodarki energetycznej” – powiedział Austin Fehr, doktorant z zakresu inżynierii chemicznej i biomolekularnej, jeden z głównych autorów badania. „Naszym celem jest budowa ekonomicznie opłacalnych platform, które mogą generować paliwa pochodzące ze słońca. Tutaj zaprojektowaliśmy system, który absorbuje światło i wykonuje chemię rozszczepiania wody elektrochemicznej na swojej powierzchni.”
Urządzenie jest znane jako ogniwo fotoelektrochemiczne, ponieważ absorpcja światła, jego przekształcenie w energię elektryczną i wykorzystanie tej energii do zasilania reakcji chemicznej zachodzą w tym samym urządzeniu. Do tej pory, wykorzystanie technologii fotoelektrochemicznej do produkcji zielonego wodoru było utrudnione przez niską efektywność i wysoki koszt półprzewodników.
„Wszystkie urządzenia tego typu produkują zielony wodór wykorzystując tylko światło słoneczne i wodę, ale nasze jest wyjątkowe, ponieważ ma rekordową efektywność i wykorzystuje półprzewodnik, który jest bardzo tani” – powiedział Fehr.
Laboratorium Mohite i jego współpracownicy stworzyli urządzenie, przekształcając ich wysoce konkurencyjną komórkę słoneczną w reaktor, który mógłby wykorzystać pozyskaną energię do rozszczepienia wody na tlen i wodór. Wyzwaniem, z którym musieli się zmierzyć, było to, że halogenki perowskitu są niezwykle niestabilne w wodzie, a powłoki używane do izolacji półprzewodników ostatecznie zakłócały ich funkcjonowanie lub je uszkadzały.
„Przez ostatnie dwa lata próbowaliśmy różnych materiałów i technik” – powiedział Michael Wong, inżynier chemiczny z Rice i współautor badania.
Po długotrwałych próbach, które nie przyniosły oczekiwanego rezultatu, badacze w końcu natrafili na zwycięskie rozwiązanie.
„Naszym kluczowym odkryciem było to, że potrzebujesz dwóch warstw bariery, jednej do blokowania wody i drugiej do zapewnienia dobrego kontaktu elektrycznego między warstwami perowskitu a warstwą ochronną” – powiedział Fehr. „Nasze wyniki to najwyższa efektywność dla ogniw fotoelektrochemicznych bez koncentracji słonecznej i najlepsza ogólnie dla tych, które używają półprzewodników z halogenkami perowskitu.
„To pierwsze dla dziedziny, która historycznie była zdominowana przez kosztowne półprzewodniki, i może reprezentować drogę do komercyjnej opłacalności dla tego typu urządzeń po raz pierwszy w historii” – dodał Fehr.
Badacze pokazali, że ich projekt bariery działał dla różnych reakcji i z różnymi półprzewodnikami, co czyni go stosowalnym w wielu systemach.
„Mamy nadzieję, że takie systemy posłużą jako platforma do napędzania szerokiego zakresu elektronów do reakcji tworzących paliwo, wykorzystujących obfite surowce, z jedynym światłem słonecznym jako źródłem energii” – powiedział Mohite.
„Z dalszymi ulepszeniami stabilności i skali, ta technologia mogłaby otworzyć gospodarkę wodorową i zmienić sposób, w jaki ludzie wytwarzają rzeczy z paliwa kopalnego na paliwo słoneczne” – dodał Fehr.
Studentami Rice, którzy są głównymi autorami badania obok Fehra, są Ayush Agrawal i Faiz Mandani. Praca została również częściowo napisana przez National Renewable Energy Laboratory, które jest zarządzane przez Alliance for Sustainable Energy LLC dla Departamentu Energii na mocy kontraktu DE-AC36-08GO28308.
Mohite jest profesorem nadzwyczajnym inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz dyrektorem ds. kadry Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, czyli REINVENTS. Wong jest profesorem Tiny i Sunit Patel w dziedzinie nanotechnologii molekularnej, przewodniczącym i profesorem inżynierii chemicznej i biomolekularnej, a także profesorem chemii, nauki o materiałach i nanotechnologii, a także inżynierii cywilnej i środowiskowej.
