211service.com
Generowanie wodoru zasilane energią słoneczną
Naukowcy ze Szwajcarii zademonstrowali wydajniejsze ogniwa słoneczne rozdzielające wodę, oparte na tanim, powszechnie występującym i długotrwałym materiale: rdzy. Postęp może doprowadzić do taniego i energooszczędnego sposobu wytwarzania wodoru dla pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi przy użyciu energii słonecznej.
Rozdzielające wodę panele słoneczne miałyby istotną przewagę nad istniejącymi technologiami pod względem produkcji wodoru. Obecnie głównym sposobem wytwarzania wodoru jest oddzielenie go od gazu ziemnego, proces, który generuje dwutlenek węgla i podważa główną motywację przejścia na pojazdy z wodorowymi ogniwami paliwowymi: położenie kresu zależności od paliw kopalnych. Obecną alternatywą jest elektroliza, która wykorzystuje energię elektryczną do rozbijania wody na wodór i tlen, przy czym dwa gazy tworzą się na przeciwległych elektrodach. Chociaż elektroliza jest kosztowna, może być czystsza, jeśli źródłem energii elektrycznej jest wiatr, słońce lub inne źródło wolne od węgla.
Ale jeśli źródłem elektryczności jest słońce, znacznie wydajniejsze byłoby wykorzystanie energii słonecznej do produkcji wodoru w procesie fotochemicznym w samym ogniwie. Poprawiając wydajność takich paneli słonecznych, Michał Grätzel , profesor chemii w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii i jego koledzy zrobili ważny krok w tym kierunku.
Naukowcy wykazali, że dodając niewielkie ilości krzemu i kobaltu, mogą wyhodować nanostrukturalne cienkie warstwy tlenku żelaza, które przekształcają światło słoneczne w elektrony potrzebne do wytworzenia wodoru z wody. Dzięki temu materiałowi warstwy tlenku żelaza robią to wydajniej niż kiedykolwiek wcześniej.
Tlenek żelaza od dawna jest atrakcyjnym materiałem do takich paneli słonecznych, po części dlatego, że dobrze trzyma się w kontakcie z wodą. Ale chociaż może pochłaniać światło słoneczne, powstałe w ten sposób nośniki ładunku nie mogły łatwo uciec z materiału, więc ponownie się połączyły, znosząc się nawzajem, zanim zdążyły rozdzielić wodę. Domieszkując rdzę krzemem, naukowcy skłonili materiał do utworzenia struktur przypominających kalafior o niezwykle dużej powierzchni, zapewniając, że duża część atomów w materiale była w kontakcie z wodą lub bardzo blisko niej. W ten sposób dziury mogą łatwo przedostać się do wody, gdzie powodują powstawanie gazowego tlenu. Krzem poprawia również przewodnictwo elektronowe w materiale, co jest ważne przy wytwarzaniu gazowego wodoru na przeciwnej elektrodzie. Naukowcy dodatkowo udoskonalili proces, dodając kobalt, który działa jako katalizator reakcji.
Nowe warstwy tlenku żelaza Grätzla mogą przekształcić imponujące i, zdaniem naukowców, bezprecedensowe 42 procent fotonów ultrafioletowych w świetle słonecznym w elektrony i dziury. Ale ogólna wydajność systemu wynosi tylko około 4 procent, częściowo dlatego, że tlenek żelaza nie pochłania wszystkich części widma słonecznego.
Główne osiągnięcie nowych badań Grätzla, które pojawia się w bieżącym numerze Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego , jest to, że bardzo szczegółowo analizuje interakcje zachodzące w systemie, mówi Brian Holcroft, dyrektor generalny wodór słoneczny , firma z siedzibą w Guildford w Wielkiej Brytanii, która opracowuje sposoby masowej produkcji paneli inspirowanych materiałami Grätzla. Odkrycia sugerują kilka strategii, które mogą pomóc panelowi opartemu na tlenku żelaza osiągnąć 10-procentowy poziom wydajności, który sprawi, że technologia będzie konkurencyjna w stosunku do obecnych sposobów wytwarzania wodoru, mówi Holcroft. (Tlenek żelaza może teoretycznie mieć nawet 20 procent wydajności). Obejmują one dostosowanie ilości i rozmieszczenia krzemu i kobaltu oraz poprawę struktury folii.
Jeśli uda się osiągnąć ten poziom wydajności, energia słoneczna wytwarzająca wodór może złagodzić niektóre z wyzwań, które grożą niepraktycznością pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, mówi George Sverdrup, kierownik ds. technologii wodorowych w Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL), w Golden, Kolorado. Na przykład, gdyby konsumenci i firmy wykorzystywali te panele do wytwarzania wodoru, zamiast pozyskiwać wodór z dużego obiektu, obniżyłoby to koszty wysyłki wodoru, czyniąc wodór bardziej przystępnym cenowo. Panele słoneczne na wodór byłyby bardziej wydajne niż małe maszyny do elektrolizy i zapewniałyby, że wodór pochodzi z odnawialnego źródła.
Ale wyzwania pozostają. Na przykład naukowcy z Hydrogen Solar szukają zamiennika drogiej platyny używanej obecnie w jednej z elektrod ogniwa, co będzie ważne dla obniżenia kosztów, zwłaszcza w obliczu wzrostu zapotrzebowania na platynę w tym i innych zastosowaniach, takich jak paliwo. komórki. Tymczasem Sverdrup mówi, że inni badacze, w tym ci z NREL, pracują z materiałami, które są znacznie wydajniejsze niż tlenek żelaza, ale jak dotąd wytrzymywały tylko godziny. Jeśli naukowcy będą w stanie wydłużyć ich trwałość, materiały mogą rzucić wyzwanie tlenku żelaza.