Выводы, сделанные совместно доктором Вирджилом Андреем, научным сотрудником Колледжа Святого Иоанна Кембриджского университета, и учеными Имперского колледжа Лондона, могут помочь преодолеть одну из ключевых проблем в производстве солнечного топлива, где существующие на земле светопоглощающие материалы ограничены либо их производительностью, либо стабильность.

Недостаточно изученные материалы для легкой уборки

Водородное топливо сыграет решающую роль в переходе к полной декарбонизации и достижении цели Великобритании по нулевым выбросам к 2050 году. Поскольку в настоящее время большая часть водорода поступает из ископаемого топлива, исследователи сейчас работают над поиском способов более устойчивого получения водорода. Один из способов достичь этого - создать устройства, которые могут собирать солнечный свет и расщеплять воду для получения зеленого водорода.

Хотя многие светопоглощающие материалы были протестированы для получения зеленого водорода, большинство из них быстро разлагаются при погружении в воду. Например, перовскиты являются наиболее быстрорастущими материалами с точки зрения эффективности поглощения света, но они нестабильны в воде и содержат свинец. Это создает риск утечки; поэтому исследователи работают над разработкой альтернатив, не содержащих свинца.

Оксийодид висмута (BiOI) - это нетоксичная полупроводниковая альтернатива, которая была упущена из виду при использовании в качестве солнечного топлива из-за его плохой стабильности в воде. Но, основываясь на предыдущих выводах о потенциале BiOI, исследователи решили пересмотреть перспективы этого материала для производства зеленого водорода.

Доктор Роберт Хойе, преподаватель кафедры материалов Имперского колледжа Лондона, объяснил: "Оксийодид висмута - это удивительный фотоактивный материал, обладающий энергетическими уровнями в нужных положениях для расщепления воды. Несколько лет назад мы продемонстрировали, что солнечные элементы BiOI более стабильны, чем те, в которых используются современные перовскитные поглотители света. Мы хотели посмотреть, сможем ли мы перевести эту стабильность на производство экологически чистого водорода".

Профессор Джудит Дрисколл, кафедра материаловедения и металлургии Кембриджского университета, сказала: "Мы работаем над этим материалом в течение некоторого времени, благодаря его широкому спектру потенциальных применений, а также простоте изготовления, низкой токсичности и хорошей стабильности. Было здорово объединить опыт различных исследовательских групп в Кембридже и в Imperial".

Прорыв в производстве солнечного топлива

Команда исследователей создала устройства, которые имитировали естественный процесс фотосинтеза, происходящий в листьях растений, за исключением того, что они производят топливо, такое как водород, вместо сахаров. Эти устройства с искусственными листьями были изготовлены из БиОИ и других экологически чистых материалов, которые собирают солнечный свет для получения₂, Ч₂ и КО.

Исследователи нашли способ повысить стабильность этих искусственных листовых устройств, вставив BiOI между двумя оксидными слоями. Прочная конструкция устройства на основе оксида была дополнительно покрыта водоотталкивающей графитовой пастой, которая предотвращала проникновение влаги. Это увеличило стабильность светопоглощающих пикселей из оксийодида висмута с нескольких минут до пары месяцев, включая время, в течение которого устройства оставались на хранении.

Это важное открытие, которое превращает BiOI в жизнеспособный легкий комбайн для стабильного производства экологически чистого водорода.

"Эти оксидные слои улучшают способность производить водород по сравнению с автономными БИОИ", - сказал доктор Роберт Ягт (департамент материаловедения и металлургии Кембриджского университета), один из ведущих авторов.

Исследователи также обнаружили, что устройства с искусственными листьями, состоящие из множества областей сбора света (называемых "пикселями"), продемонстрировали более высокую производительность по сравнению с обычными устройствами с одним большим пикселем того же общего размера. Это открытие может значительно упростить и ускорить масштабирование новых легких комбайнов для устойчивого производства топлива.

Доктор Вирджил Эндрю, соавтор исследования с химического факультета Кембриджа, объясняет: "Даже если некоторые пиксели неисправны, мы смогли отключить их, чтобы они не влияли на остальные. Это означало, что мы могли поддерживать производительность маленьких пикселей на большей площади ". Эта повышенная производительность позволила устройству не только производить водород, но и снижать содержание CO₂ к синтез-газу, важному промежуточному продукту в промышленном синтезе химических веществ и фармацевтических препаратов.

Взгляд в будущее

Полученные результаты демонстрируют потенциал этих новых устройств для того, чтобы бросить вызов производительности существующих светопоглотителей. Новые способы повышения стабильности устройств с искусственными листьями BiOI теперь могут быть применены к другим новым системам, помогая вывести их на рынок.

"Это захватывающее событие! На данный момент лишь немногие солнечные топливные системы демонстрируют стабильность, совместимую с реальными приложениями. Благодаря этой работе мы делаем шаг вперед к созданию круговой экономии топлива", - сказал профессор Эрвин Рейснер (химический факультет Кембриджа), один из авторов-корреспондентов.

Полученные результаты были опубликованы в журнале Природные материалы.