Шаг к солнечному топливу из воздуха

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 9 января 2023 г., 11:40:03 MSK
  • 0 комментариев
  • 31 просмотр
Инженеры-химики изобрели искусственный лист на солнечной энергии, построенный на новом электроде, который является прозрачным и пористым, способным собирать воду из воздуха для преобразования в водородное топливо. Технология на основе полупроводников масштабируема и проста в приготовлении.

Устройство, способное извлекать воду из воздуха и производить водородное топливо, полностью работающее на солнечной энергии, было мечтой исследователей на протяжении десятилетий. Теперь инженер-химик EPFL Кевин Сивула и его команда сделали значительный шаг к тому, чтобы приблизить это видение к реальности. Они разработали оригинальную, но простую систему, которая сочетает в себе технологию на основе полупроводников с новыми электродами, которые обладают двумя ключевыми характеристиками: они пористые, чтобы максимально увеличить контакт с водой в воздухе; и прозрачные, чтобы максимально увеличить воздействие солнечного света на полупроводниковое покрытие. Когда устройство просто подвергается воздействию солнечного света, оно забирает воду из воздуха и производит газообразный водород. Результаты опубликованы 4 января 2023 года в Передовые материалы.

Что нового? Это их новые газодиффузионные электроды, которые являются прозрачными, пористыми и проводящими, что позволяет использовать эту технологию на солнечной энергии для превращения воды - в ее газовом состоянии из воздуха - в водородное топливо.

"Чтобы построить устойчивое общество, нам нужны способы хранения возобновляемой энергии в виде химических веществ, которые можно использовать в качестве топлива и сырья в промышленности. Солнечная энергия является наиболее распространенной формой возобновляемой энергии, и мы стремимся разработать экономически конкурентоспособные способы производства солнечного топлива", - говорит Сивула из лаборатории молекулярной инженерии оптоэлектронных наноматериалов EPFL и главный исследователь исследования.

Вдохновение от листьев растения

В своих исследованиях возобновляемых видов топлива, не содержащих ископаемых, инженеры EPFL в сотрудничестве с Toyota Motor Europe черпали вдохновение из того, как растения способны преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, используя углекислый газ из воздуха. Растение, по сути, собирает углекислый газ и воду из окружающей среды и с дополнительным притоком энергии от солнечного света может преобразовывать эти молекулы в сахара и крахмалы, процесс, известный как фотосинтез. Энергия солнечного света накапливается в виде химических связей внутри сахаров и крахмалов.

Разработанные Сивулой и его командой прозрачные газодиффузионные электроды, покрытые полупроводниковым материалом, улавливающим свет, действительно действуют как искусственный лист, собирая воду из воздуха и солнечного света для получения газообразного водорода. Энергия солнечного света накапливается в виде водородных связей.

Вместо создания электродов с традиционными слоями, непрозрачными для солнечного света, их подложка на самом деле представляет собой трехмерную сетку из войлочных стеклянных волокон.

Марина Каретти, ведущий автор работы, говорит: "Разработка нашего прототипа устройства была сложной задачей, поскольку прозрачные газодиффузионные электроды ранее не демонстрировались, и нам пришлось разрабатывать новые процедуры для каждого этапа. Однако, поскольку каждый шаг относительно прост и масштабируем, я думаю, что наш подход откроет новые горизонты для широкого спектра применений, начиная с газодиффузионных подложек для производства водорода на солнечной энергии".

От жидкой воды до влажности в воздухе

Сивула и другие исследовательские группы ранее показали, что можно осуществлять искусственный фотосинтез, генерируя водородное топливо из жидкой воды и солнечного света с помощью устройства, называемого фотоэлектрохимической ячейкой (PEC). Ячейка PEC обычно известна как устройство, которое использует падающий свет для стимуляции фоточувствительного материала, такого как полупроводник, погруженный в жидкость решение чтобы вызвать химическую реакцию. Но для практических целей этот процесс имеет свои недостатки, например, сложно изготавливать устройства PEC большой площади, использующие жидкость.

Sivula хотела показать, что технология PEC может быть адаптирована для сбора влаги из воздуха вместо этого, что привело к разработке их нового газодиффузионного электрода. Уже было показано, что электрохимические элементы (например, топливные элементы) работают с газами вместо жидкостей, но ранее использовавшиеся газодиффузионные электроды непрозрачны и несовместимы с технологией PEC на солнечных батареях.

Сейчас исследователи сосредотачивают свои усилия на оптимизации системы. Каков идеальный размер волокна? Идеальный размер пор? Идеальные полупроводники и мембранные материалы? Эти вопросы рассматриваются в рамках проекта ЕС "Sun-to-X", который направлен на продвижение этой технологии и разработку новых способов преобразования водорода в жидкое топливо.

Изготовление прозрачных газодиффузионных электродов

Чтобы изготовить прозрачные газодиффузионные электроды, исследователи начинают с типа стекловаты, которая по сути представляет собой кварцевые волокна (также известные как оксид кремния), и перерабатывают ее в войлочные пластины путем сплавления волокон вместе при высокой температуре. Затем пластина покрывается прозрачной тонкой пленкой легированного фтором оксида олова, известного своей превосходной проводимостью, прочностью и простотой масштабирования. В результате этих первых шагов получается прозрачная, пористая и проводящая пластина, необходимая для максимального контакта с молекулами воды в воздухе и пропускания фотонов. Затем пластина снова покрывается, на этот раз тонкой пленкой полупроводниковых материалов, поглощающих солнечный свет. Это второе тонкое покрытие все еще пропускает свет, но кажется непрозрачным из-за большой площади поверхности пористой подложки. Как таковая, эта пластина с покрытием уже может производить водородное топливо после воздействия солнечного света.

Далее ученые построили небольшую камеру, содержащую покрытую пластину, а также мембрану для отделения образующегося газообразного водорода для измерения. Когда их камера подвергается воздействию солнечного света во влажных условиях, образуется газообразный водород, достигая того, к чему стремились ученые, показывая, что концепция прозрачного газодиффузионного электрода для производства газообразного водорода на солнечных батареях может быть реализована.

Хотя ученые официально не изучали эффективность преобразования солнечной энергии в водород в своей демонстрации, они признают, что она скромна для этого прототипа и в настоящее время меньше, чем может быть достигнута в элементах PEC на жидкой основе. Исходя из используемых материалов, максимальная теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии в водород пластины с покрытием составляет 12%, в то время как эффективность жидких элементов была продемонстрирована до 19%.

Комментарии

0 комментариев