Дешевий, стійкий водень: Новий каталізатор у 10 разів ефективніший за попередні пристрої для розділення води за допомогою сонячної енергії

Главная » Маркетинг, Статті » Дешевий, стійкий водень: Новий каталізатор у 10 разів ефективніший за попередні пристрої для розділення води за допомогою сонячної енергії

Новий вид сонячних батарей, розроблений у Мічиганському університеті, досяг 9% ефективності при перетворенні води на водень і кисень, що імітує найважливіший етап природного фотосинтезу. На відкритому повітрі це являє собою великий стрибок у технології, майже в 10 разів ефективніший, ніж подібні експерименти з розщеплення води на сонячних батареях.

Але найбільшою перевагою є зниження вартості стійкого водню. Це можливо завдяки зменшенню розмірів напівпровідника, який зазвичай є найдорожчою частиною пристрою. Напівпровідник команди, що самовідновлюється, витримує концентроване світло, еквівалентне 160 сонячним променям.

Напівпровідник, що самовідновлюється

Нині люди виробляють водень із викопного палива – метану, використовуючи при цьому велику кількість викопної енергії. Однак рослини отримують атоми водню з води за допомогою сонячного світла. Оскільки людство намагається скоротити викиди вуглекислого газу, водень привабливий і як самостійне паливо, і як компонент екологічно чистого палива, вироблюваного з переробленого вуглекислого газу. Крім того, він необхідний для багатьох хімічних процесів, наприклад, для виробництва добрив.

“Зрештою ми вважаємо, що пристрої штучного фотосинтезу будуть набагато ефективнішими за природний фотосинтез, що забезпечить шлях до вуглецевої нейтральності”, – сказав Цзетянь Мі, професор електротехніки та обчислювальної техніки Університету штату Ю-М, який очолив дослідження, про яке повідомляється в журналі Nature.

Видатний результат отримано завдяки двом досягненням. Перше – це здатність концентрувати сонячне світло без руйнування напівпровідника, який використовує світло.

“Ми зменшили розмір напівпровідника більш ніж у 100 разів порівняно з деякими напівпровідниками, що працюють тільки за низької інтенсивності світла”, – сказав Пен Чжоу, науковий співробітник відділу електротехніки та обчислювальної техніки Університету штату Маямі та перший автор дослідження. “Водень, вироблений за нашою технологією, може бути дуже дешевим”.

Другий спосіб полягає у використанні як більш високої частини сонячного спектра для розщеплення води, так і більш низької частини спектра для виділення тепла, яке стимулює реакцію. Магія досягається завдяки напівпровідниковому каталізатору, який покращується під час використання, чинячи опір деградації, якої зазвичай зазнають такі каталізатори, коли вони використовують сонячне світло для стимулювання хімічних реакцій.

Крім того, що каталізатор здатний працювати з високою інтенсивністю світла, він може процвітати за високих температур, які згубні для комп’ютерних напівпровідників. Висока температура прискорює процес розщеплення води, а додаткове тепло також сприяє тому, що водень і кисень залишаються окремо, а не відновлюють свої зв’язки і знову утворюють воду. Обидва ці чинники допомогли команді зібрати більше водню.

Для експерименту на відкритому повітрі Чжоу встановив лінзу розміром з вікно будинку, щоб сфокусувати сонячне світло на експериментальну панель розміром всього кілька дюймів. Усередині цієї панелі напівпровідниковий каталізатор був вкритий шаром води, що пузириться від виділених ним газів водню і кисню.

Каталізатор складається з наноструктур нітриду галію індію, вирощених на поверхні кремнію. Ця напівпровідникова пластина вловлює світло, перетворюючи його на вільні електрони і дірки – позитивно заряджені проміжки, що залишаються після вивільнення електронів під дією світла. Наноструктури усіяні нанорозмірними металевими кульками розміром 1/2000 міліметра, які використовують ці електрони і дірки для управління реакцією.

Простий ізоляційний шар на панелі підтримує температуру на рівні 75 градусів Цельсія, або 167 градусів за Фаренгейтом, досить теплу, щоб стимулювати реакцію, і водночас досить прохолодну, щоб напівпровідниковий каталізатор працював добре. Експеримент на відкритому повітрі, за менш надійного сонячного світла і температури, показав 6,1% ефективність перетворення енергії сонця на водневе паливо. Однак у приміщенні система досягла 9% ефективності.

Наступні завдання, які команда має намір вирішити, – це подальше підвищення ефективності та отримання водню надвисокої чистоти, який можна буде безпосередньо подавати в паливні елементи.

Частину інтелектуальної власності, пов’язаної з цією роботою, було ліцензовано NS Nanotech Inc. і NX Fuels Inc, співзасновниками яких є Mi.