Цветное электронно-микроскопическое изображение показывает башни из нитрида галлия в устройстве искусственного фотосинтеза при увеличении 25k. Эти наноструктуры разрывают молекулы воды на водород и кислород для производства чистого водородного топлива. (Фото: Факрул А. Чоудхури/МакГилл)
Стабильное устройство для искусственного фотосинтеза удваивает эффективность использования солнечного света для разделения как пресной, так и соленой воды, генерируя водород для топливных элементов. Кроме этого, устройство может быть перенастроено так, чтобы преобразовывать углекислый газ обратно в топливо.
Водород - самое чистое горящее топливо, при котором вода является единственным источником выбросов. Но производство водорода не всегда является экологически чистым. Обычные методы требуют природного газа или электроэнергии. Метод, называемый прямым солнечным расщеплением воды, использует только воду и свет от Солнца.
«Если можно будет хранить солнечную энергию в виде химического топлива, как происходит в природе при фотосинтезе, можно решить фундаментальную проблему возобновляемой энергии». «Проблема с солнечными элементами заключается в том, что они не могут сохранять электричество без батарей, которые имеют высокую стоимость и ограниченный срок службы».
Важно отметить, что способность непосредственно разделять морскую воду идеально подходит для крупномасштабного производства солнечной энергии. Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в фотоэлектрохимическом (PEC) расщеплении воды за последние десятилетия, он не подходит воды с почти нейтральным pH, как у морской.
Устройство, использующее прямое солнечное расщепление воды, может быть изготовлено из тех же широко используемых материалов, что и солнечные элементы, и другая электроника, в том числе кремния и нитрида галлия (часто встречаются в светодиодах).
В исследовании предлагается и демонстрируется многополосный нанолистовой фотохимический диод InGaN (PCD), который может самопроизвольно вызывать разделение носителей заряда и направлять его носители в направлении отдельных окислительно-восстановительных центров для окисления воды и восстановления протонов.
При синтезе нанолистовой структуры фотохимического диода InGaN, концентрации легирующей примеси (Mg) рационально подбираются так, чтобы создать большое встроенное электрическое поле между двумя параллельными поверхностями. Следствием становится обогащение поверхностей фотогенерированными отверстиями и электронами для проведения реакций окисления воды и восстановления протонов соответственно.
В дополнение к эффективному разделению и извлечению носителей заряда, пространственное разделение каталитических центров в таком наноразмерном фотохимическом диоде эффективно уменьшает рекомбинацию носителей и обратную реакцию. Способность достигать контролируемого разделения и извлечения носителей заряда на наноуровне способствует устранению узкого места эффективности искусственного фотосинтеза, включая снижение содержания СО₂ для углеводородного топлива.
Предыдущие прямые солнечные сплиттеры достигали чуть более 1% стабильной солнечно-водородной эффективности в пресной или соленой воде. Другие подходы страдают от использования дорогостоящих, неэффективных или нестабильных материалов, таких как диоксид титана, что также может включать добавление сильнокислых растворов для достижения более сильной реакции.
Исследователи достигли более чем 3% эффективности использования солнечной энергии и получения водорода. Чтобы достичь этой стабильной эффективности, команда построила наноразмерные «городские пейзажи» из нитрида галлия, создающие электрическое поле.
«Хотя 3% эффективность может показаться низкой, если рассматривать ее в контексте 40-летних исследований этого процесса, на самом деле это большой прорыв». «Естественный фотосинтез, в зависимости от того, как его рассчитывать, имеет эффективность около 0,6%». 5% эффективность является порогом для коммерциализации.
Написать комментарий
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности