رکوردشکنی هیدروژن سبز با دستگاه خورشیدی

این فناوری جدید می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در هدایت واکنش‌های شیمیایی داشته باشد که مواد اولیه را با استفاده از برق برداشت شده از خورشید به سوخت تبدیل می‌کند.

مهندسان دانشگاه رایس دستگاهی ساخته اند که نور خورشید را به هیدروژن تبدیل می کند با کارایی بی سابقه.

این دستگاه نیمه هادی های هالید پروسکایت نسل بعدی را با الکتروکاتالیست ها در یک دستگاه واحد، بادوام، مقرون به صرفه و مقیاس پذیر ادغام می کند.

بیانیه مطبوعاتی معتقد است که مهندسان استاندارد جدیدی برای فناوری هیدروژن تعیین کرده اند. این دستگاه در واقع یک سلول تقسیم آب با هدایت خورشیدی است.

بر اساس مطالعه ای که در Nature Communications منتشر شده است، این دستگاه به بازده تبدیل خورشید به هیدروژن 20.8 درصد دست یافته است. امروزه این مطالعه پشت یک دیوار پرداخت نیست.

فناوری جدید گامی مهم به جلو برای انرژی پاک است و می‌تواند به عنوان بستری برای طیف وسیعی از واکنش‌های شیمیایی که از الکتریسیته برداشت‌شده از خورشید برای تبدیل مواد اولیه به سوخت استفاده می‌کند، عمل کند.

آزمایشگاه مهندس شیمی و بیومولکولی آدیتیا موهیت، فوتورآکتور یکپارچه را با استفاده از یک سد ضد خوردگی ساخت که نیمه هادی را از آب عایق می کند بدون اینکه مانع انتقال الکترون شود.

آستین فهر، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی و بیومولکولی و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، اظهار داشت: استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای تولید مواد شیمیایی یکی از بزرگترین موانع اقتصاد انرژی پاک است.

هدف ما ساختن پلتفرم های مقرون به صرفه ای است که بتواند سوخت های خورشیدی تولید کند.

در اینجا، ما سیستمی طراحی کردیم که نور را جذب می کند و شیمی الکتروشیمیایی تقسیم آب را روی سطح آن کامل می کند.

این دستگاه به عنوان سلول فوتوالکتروشیمیایی شناخته می شود زیرا جذب نور، تبدیل آن به الکتریسیته و استفاده از الکتریسیته برای تامین انرژی یک واکنش شیمیایی در یک دستگاه اتفاق می افتد. تا به حال، استفاده از فناوری فوتوالکتروشیمیایی برای تولید هیدروژن سبز به دلیل راندمان پایین و هزینه بالای نیمه هادی ها با مشکل مواجه بود.

فهر افزود: تمام دستگاه‌های این نوع فقط با استفاده از نور خورشید و آب هیدروژن سبز تولید می‌کنند، اما دستگاه ما استثنایی است زیرا راندمان رکوردشکنی دارد و از نیمه‌رسانا بسیار ارزانی استفاده می‌کند.

آزمایشگاه Mohite و همکارانش این دستگاه را با تبدیل سلول خورشیدی بسیار رقابتی خود به راکتوری ساختند که می تواند از انرژی برداشت شده برای تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده کند.

چالشی که آنها باید بر آن غلبه می‌کردند این بود که پروسکایت‌های هالید در آب بسیار ناپایدار هستند و پوشش‌هایی که برای عایق‌سازی نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شد، یا عملکرد آنها را مختل می‌کرد یا به آنها آسیب می‌رساند.

مایکل وونگ، مهندس شیمی رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه، خاطرنشان کرد: در دو سال گذشته، ما به این سو و آن سو رفته ایم و مواد و تکنیک های مختلف را امتحان کرده ایم.

پس از اینکه آزمایشات طولانی نتوانست نتیجه مطلوب را به همراه داشته باشد، سرانجام محققان به یک راه حل برنده دست یافتند.

Fehr گفت: بینش کلیدی ما این بود که شما به دو لایه برای سد نیاز داشتید، یکی برای مسدود کردن آب و دیگری برای برقراری تماس الکتریکی خوب بین لایه‌های پروسکایت و لایه محافظ.

نتایج ما بالاترین بازدهی برای سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی بدون غلظت خورشیدی و در مجموع بهترین برای آنهایی است که از نیمه‌هادی‌های پروسکایت هالید استفاده می‌کنند.

Fehr گفت: این اولین مورد برای میدانی است که در طول تاریخ تحت تسلط نیمه هادی های بسیار گران قیمت بوده است و ممکن است برای اولین بار مسیری برای امکان سنجی تجاری برای این نوع دستگاه باشد.

محققان نشان دادند که طراحی مانع آنها برای واکنش های مختلف و با نیمه هادی های مختلف کار می کند و آن را در بسیاری از سیستم ها قابل استفاده است.

Mohite گفت: ما امیدواریم که چنین سیستم هایی به عنوان بستری برای هدایت طیف گسترده ای از الکترون ها به واکنش های تشکیل دهنده سوخت با استفاده از مواد اولیه فراوان و تنها با نور خورشید به عنوان ورودی انرژی عمل کنند.

Fehr افزود: با بهبودهای بیشتر در پایداری و مقیاس، این فناوری می تواند اقتصاد هیدروژن را باز کند و نحوه ساخت انسان از سوخت فسیلی به سوخت خورشیدی را تغییر دهد.

خوش بینی زیادی در این کار وجود دارد. با این حال، باید به خاطر داشته باشیم که یک کلکتور خورشیدی درجه یک در بهترین روز فقط حدود 100 وات برق ورودی در هر متر مربع را می بیند. باید پرسید که هیدروژن رایگان تا چه اندازه در یک بازار خاص مفید است.

این فناوری بسیار در ابتدای راه است. تا چه حد می تواند پیش برود هنوز باید تا حدودی بیشتر تحقیق و مهندسی شود. اما حتی با 20.8 درصد راندمان تقسیم آب با هدایت خورشیدی، راه بسیار طولانی در پیش است.

ایوش آگراول و فیض ماندنی، دانشجویان فارغ التحصیل رایس، نویسندگان اصلی این مطالعه در کنار Fehr هستند.

این کار همچنین تا حدی توسط آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر، که توسط Alliance for Sustainable Energy LLC برای وزارت انرژی تحت قرارداد DE-AC36-08GO28308 اداره می شود، نوشته شده است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.