Дешевый, устойчивый водород: Новый катализатор в 10 раз эффективнее предыдущих устройств для разделения воды с помощью солнечной энергии

Новый вид солнечных батарей, разработанный в Мичиганском университете, достиг 9% эффективности при преобразовании воды в водород и кислород, что имитирует важнейший этап естественного фотосинтеза. На открытом воздухе это представляет собой большой скачок в технологии, почти в 10 раз более эффективный, чем подобные эксперименты по расщеплению воды на солнечных батареях.

Но самым большим преимуществом является снижение стоимости устойчивого водорода. Это возможно благодаря уменьшению размеров полупроводника, который обычно является самой дорогой частью устройства. Самовосстанавливающийся полупроводник команды выдерживает концентрированный свет, эквивалентный 160 солнечным лучам.

В настоящее время люди производят водород из ископаемого топлива — метана, используя при этом большое количество ископаемой энергии. Однако растения получают атомы водорода из воды с помощью солнечного света. Поскольку человечество пытается сократить выбросы углекислого газа, водород привлекателен и как самостоятельное топливо, и как компонент экологически чистого топлива, производимого из переработанного углекислого газа. Кроме того, он необходим для многих химических процессов, например, для производства удобрений.

«В конечном итоге мы считаем, что устройства искусственного фотосинтеза будут намного эффективнее естественного фотосинтеза, что обеспечит путь к углеродной нейтральности», — сказал Цзэтянь Ми, профессор электротехники и вычислительной техники Университета штата Ю-М, возглавивший исследование, о котором сообщается в журнале Nature.

Выдающийся результат получен благодаря двум достижениям. Первое — это способность концентрировать солнечный свет без разрушения полупроводника, который использует свет.

«Мы уменьшили размер полупроводника более чем в 100 раз по сравнению с некоторыми полупроводниками, работающими только при низкой интенсивности света», — сказал Пэн Чжоу, научный сотрудник отдела электротехники и вычислительной техники Университета штата Майами и первый автор исследования. «Водород, произведенный по нашей технологии, может быть очень дешевым».

Второй способ заключается в использовании как более высокой части солнечного спектра для расщепления воды, так и более низкой части спектра для выделения тепла, которое стимулирует реакцию. Магия достигается благодаря полупроводниковому катализатору, который улучшается при использовании, сопротивляясь деградации, которой обычно подвергаются такие катализаторы, когда они используют солнечный свет для стимулирования химических реакций.

Помимо того, что катализатор способен работать с высокой интенсивностью света, он может процветать при высоких температурах, которые губительны для компьютерных полупроводников. Высокая температура ускоряет процесс расщепления воды, а дополнительное тепло также способствует тому, что водород и кислород остаются отдельно, а не восстанавливают свои связи и снова образуют воду. Оба этих фактора помогли команде собрать больше водорода.

Для эксперимента на открытом воздухе Чжоу установил линзу размером с окно дома, чтобы сфокусировать солнечный свет на экспериментальную панель размером всего несколько дюймов. Внутри этой панели полупроводниковый катализатор был покрыт слоем воды, пузырящейся от выделяемых им газов водорода и кислорода.

Катализатор состоит из наноструктур нитрида галлия индия, выращенных на поверхности кремния. Эта полупроводниковая пластина улавливает свет, преобразуя его в свободные электроны и дырки — положительно заряженные промежутки, остающиеся после высвобождения электронов под действием света. Наноструктуры усеяны наноразмерными металлическими шариками размером 1/2000 миллиметра, которые используют эти электроны и дырки для управления реакцией.

Простой изоляционный слой на панели поддерживает температуру на уровне 75 градусов Цельсия, или 167 градусов по Фаренгейту, достаточно теплую, чтобы стимулировать реакцию, и в то же время достаточно прохладную, чтобы полупроводниковый катализатор работал хорошо. Эксперимент на открытом воздухе, при менее надежном солнечном свете и температуре, показал 6,1% эффективность превращения энергии солнца в водородное топливо. Однако в помещении система достигла 9% эффективности.

Следующие задачи, которые команда намерена решить, — это дальнейшее повышение эффективности и получение водорода сверхвысокой чистоты, который можно будет напрямую подавать в топливные элементы.

Часть интеллектуальной собственности, связанной с этой работой, была лицензирована NS Nanotech Inc. и NX Fuels Inc, соучредителями которых являются Mi.

Коллектив сайта

(Пока оценок нет)

Загрузка...