Un nou standard pentru tehnologia hidrogenului verde stabilit de inginerii de la Universitatea Rice
Inginerii de la Rice University pot transforma lumina solară în hidrogen cu o eficiență record datorită unui dispozitiv care combină semiconductori perovskitici cu halogenuri de ultimă generație cu electrocatalizatori într-un singur dispozitiv durabil, rentabil și scalabil.
Noua tehnologie reprezintă un pas înainte semnificativ pentru energia curată și ar putea servi drept platformă pentru o gamă largă de reacții chimice care utilizează energia electrică captată de la soare pentru a transforma materiile prime în combustibili.
Proiectarea revoluționară a fotoreactorului
Laboratorul lui Aditya Mohite, specializat în inginerie chimică și biomoleculară, a condus construcția acestui fotoreactor integrat. Un element cheie în proiectarea dispozitivului este o barieră anticorozivă care izolează eficient semiconductorul de apă fără a împiedica transferul de electroni. După cum se arată într-un studiu publicat în
Nature Communications
, dispozitivul se mândrește cu o eficiență impresionantă de conversie a energiei solare în hidrogen de 20,8%.
Austin Fehr, doctorand în inginerie chimică și biomoleculară și unul dintre autorii principali ai studiului, a subliniat importanța acestei lucrări. „Utilizarea luminii solare ca sursă de energie pentru fabricarea de produse chimice este unul dintre cele mai mari obstacole în calea unei economii cu energie curată. Scopul nostru este de a construi platforme fezabile din punct de vedere economic care pot genera combustibili derivați din energia solară. Aici, am proiectat un sistem care absoarbe lumina și completează chimia electrochimică de scindare a apei pe suprafața sa.”
Depășirea provocărilor cu ajutorul celulelor fotoelectrochimice
Dispozitivul este cunoscut sub numele de celulă fotoelectrochimică, deoarece absorbția luminii, transformarea acesteia în electricitate și utilizarea electricității pentru a alimenta o reacție chimică au loc în același dispozitiv. Până în prezent, utilizarea tehnologiei fotoelectrochimice pentru a produce hidrogen verde a fost împiedicată de randamentele scăzute și de costul ridicat al semiconductorilor.
Fehr a explicat distincția invenției lor: „Toate dispozitivele de acest tip produc hidrogen verde folosind doar lumina soarelui și apă, dar al nostru este excepțional pentru că are o eficiență record și folosește un semiconductor foarte ieftin.”
Călătoria de inovare și perspectivele viitoare
Laboratorul Mohite și colaboratorii săi au creat dispozitivul transformând celula lor solară extrem de competitivă într-un reactor care ar putea folosi energia colectată pentru a descompune apa în oxigen și hidrogen. Provocarea pe care au trebuit să o depășească a fost aceea că perovskitele de halogenuri sunt extrem de instabile în apă, iar straturile folosite pentru a izola semiconductorii au sfârșit fie prin a le perturba funcția, fie prin a le deteriora.
„În ultimii doi ani, am tot încercat diferite materiale și tehnici”, a declarat Michael Wong, inginer chimist la Rice și coautor al studiului.
După ce încercări îndelungate nu au dat rezultatul dorit, cercetătorii au găsit în cele din urmă o soluție câștigătoare.
„Ideea noastră cheie a fost că avem nevoie de două straturi pentru barieră, unul pentru a bloca apa și unul pentru a realiza un bun contact electric între straturile de perovskit și stratul protector”, a spus Fehr. „Rezultatele noastre reprezintă cea mai mare eficiență pentru celulele fotoelectrochimice fără concentrare solară și cea mai bună eficiență generală pentru cele care utilizează semiconductori perovskitici cu halogenuri.
„Este o premieră pentru un domeniu care a fost dominat în mod istoric de semiconductori prohibitiv de scumpi și poate reprezenta o cale spre fezabilitatea comercială pentru acest tip de dispozitiv pentru prima dată în istorie”, a declarat Fehr.
Cercetătorii au arătat că designul lor de barieră a funcționat pentru diferite reacții și cu diferiți semiconductori, ceea ce îl face aplicabil în multe sisteme.
„Sperăm că astfel de sisteme vor servi drept platformă pentru conducerea unei game largi de electroni către reacții de formare a combustibililor folosind materii prime abundente, având ca aport energetic doar lumina soarelui”, a declarat Mohite.
„Cu îmbunătățiri suplimentare în ceea ce privește stabilitatea și scara, această tehnologie ar putea deschide economia hidrogenului și ar putea schimba modul în care oamenii produc lucruri, de la combustibilul fosil la cel solar”, a adăugat Fehr.
Studenții absolvenți de la Rice, Ayush Agrawal și Faiz Mandani, sunt autorii principali ai studiului alături de Fehr. De asemenea, lucrarea a fost realizată în parte de Laboratorul Național de Energie Regenerabilă, care este operat de Alliance for Sustainable Energy LLC pentru Departamentul de Energie în cadrul contractului DE-AC36-08GO28308.
Mohite este profesor asociat de inginerie chimică și biomoleculară și director al facultății Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability, sau REINVENTS. Wong este profesorul Tina și Sunit Patel în nanotehnologie moleculară, președinte și profesor de inginerie chimică și biomoleculară și profesor de chimie, știința materialelor și nanotehnologie, precum și de inginerie civilă și de mediu.
Cercetarea a fost sprijinită de Departamentul de Energie (DE-EE0008843), SARIN Energy Inc. și de Autoritatea pentru Echipamente Partajate de la Rice.
