ثبت یک رکورد بی سابقه در تولید انرژی پاک

مهندسان دانشگاه رایس به لطف ساخت دستگاهی جدید می توانند نور خورشید را با کارایی بی سابقه به هیدروژن تبدیل کنند.

به گزارش تکناک، در این روش نیمه هادی های هالید پروسکایت نسل بعدی با الکتروکاتالیست ها در یک دستگاه واحد، بادوام، مقرون به صرفه و مقیاس پذیر ترکیب می شوند.

فناوری جدید یک گام مهم رو به جلو برای انرژی پاک است و می تواند به عنوان بستری برای طیف گسترده ای از واکنش های شیمیایی که از انرژی الکتریکی بدست آمده از خورشید برای تبدیل مواد اولیه به سوخت استفاده می کند، به کار رود.

طراحی انقلابی فوتورآکتور

آزمایشگاه آدیتیا موهیت، که متخصص در مهندسی شیمی و بیومولکولی است، پیشرو ساخت این فوتورآکتور یکپارچه بود. یک عنصر کلیدی در طراحی دستگاه یک مانع ضد خوردگی است که به طور موثر نیمه هادی را از آب جدا می کند بدون اینکه مانع انتقال الکترون شود. همانطور که در یک مطالعه منتشر شده درNature Communications گزارش شده است، این دستگاه دارای راندمان تبدیل انرژی خورشید به هیدروژن 20.8 درصد است.

آستین فهر، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی و بیومولکولی و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه، بر اهمیت این کار تاکید کرد. استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای تولید عناصر شیمیایی یکی از بزرگترین موانع در دستیابی به اقتصاد بر پایه 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.

غلبه بر چالش ها با سلول های فوتوالکتروشیمیایی

این دستگاه به دلیل جذب نور، تبدیل آن به الکتریسیته و استفاده از الکتریسیته برای تامین انرژی یک واکنش شیمیایی به عنوان سلول فوتوالکتروشیمیایی شناخته می شود. 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 درباره وجه تمایز اختراع خود توضیح داد: همه دستگاه‌های از این دست فقط با استفاده از نور خورشید و آب هیدروژن سبز تولید می‌کنند، اما دستگاه ما استثنایی است زیرا در راندمان رکوردشکنی کرده است و از نیمه‌رسانایی بسیار ارزان استفاده می‌کند.

سفر نوآوری و چشم اندازهای آینده

کارکنان آزمایشگاه موهیت و سایر همکاران 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 نیمه‌رساناها به کار می‌رفتند یا عملکرد آنها را مختل می‌کرد یا به آنها آسیب می‌رساند.

مایکل وونگ، مهندس شیمی دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: در دو سال گذشته، ما مواد و تکنیک‌های مختلف را امتحان کرده‌ایم.

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

فهر گفت: بینش کلیدی ما این بود که شما به دو لایه برای ایجاد مانع نیاز داشتید، یکی برای مسدود کردن آب و دیگری برای برقراری تماس الکتریکی خوب بین لایه‌های پروسکایت و لایه محافظ. نتایج ما بالاترین راندمان را برای سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی خورشیدی به ارمغان آورد و در مجموع بهترین شرایط را برای کسانی که از نیمه‌رساناهای هالید پروسکایت استفاده می‌کنند ارائه داد.

فهر گفت: نتایج ما پیشرفت خوبی برای حوزه‌ای است که در طول تاریخ تحت تسلط نیمه‌هادی‌های بسیار گران‌قیمت بوده است و ممکن است برای اولین بار راهی برای امکان‌سنجی تجاری این نوع دستگاه ها باز کند.

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.

موهیت گفت: ما امیدواریم که چنین سیستم هایی به عنوان یک پلت فرم 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.

فهر افزود: با بهبودهای بیشتر در پایداری و مقیاس، این فناوری می تواند اقتصاد هیدروژنی را عملی کند و استفاده از سوخت فسیلی را به سوخت خورشیدی تغییر دهد.

زیر نویس شکل:

مهندسان دانشگاه رایس دستگاهی ساخته اند که می تواند نور خورشید را با کارایی بی سابقه ای به هیدروژن تبدیل کند. این دستگاه که یک سلول فوتوالکتروشیمیایی است، از نیمه هادی هالید پروسکایت و الکتروکاتالیست های نسل بعدی استفاده می کند. این دستاورد به عنوان یک پلت فرم بالقوه برای واکنش های شیمیایی با استفاده از انرژی خورشیدی برای تبدیل مواد اولیه به سوخت به کار میرود.

یک فوتورآکتور که توسط گروه تحقیقاتی موهیت دانشگاه رایس و همکارانش ساخته شد، بازده تبدیل خورشید به هیدروژن 20.8 درصد را به دست آورد.

مجموعه‌ای از چهار تصویر ثابت از یک ویدیوی نمونه که نشان می‌دهد چگونه یک فوتورآکتور از دانشگاه رایس، مولکول‌های آب را شکافته و هیدروژن تولید می‌کند.