$4,2 за кг: исследователи создали устройство с рекордной эффективностью производства водорода

Южнокорейские исследователи создали устройство для получения чистого водорода из воды и солнечной энергии с рекордной эффективностью.

Отмечается, что устройство использует солнечную энергию, чтобы полностью самостоятельно расщеплять молекулы воды. Традиционно для производства водорода используется природный газ с выделением CO₂. Однако устройства, работающие на солнечной энергии, предлагают альтернативу без вредных выбросов. Кроме того, устройство не требует внешнего источника питания.

Однако группа исследователей из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) попыталась решить эту проблему. Исследователи создали тандемное устройство, в котором два светопоглощающих слоя располагаются один над другим.

По результатам лабораторных исследований этот крошечный элемент достиг эффективности преобразования солнечной энергии в водород на уровне 7,9%. Это самый высокий из когда-либо зафиксированных показателей для органических полупроводниковых фотокатодов, работающих без приложенного напряжения смещения.

Для расщепления воды требуется минимальный электрический порог в 1,23 В. Однослойные органические материалы не способны эффективно достичь этой цели. Однако предыдущие попытки наложить два слоя для повышения напряжения приводили к быстрой деградации.

Стандартный соединитель, материал, известный как PEDOT:PSS, обладает высокой кислотностью и чувствителен к воздействию воды, из-за чего он быстро повреждает соседние элементы. Корейские исследователи заменили подверженное коррозии соединение на новый гибридный слой.

Они соединили оксид молибдена с органической молекулой 2PACz. Оксид молибдена не обладает высокой кислотностью и не впитывает влагу. Он также образует защитный слой и предотвращает проникновение жидких растворителей при нанесении покрытия.

Кроме того, молекулы 2PACz сглаживают микроскопические дефекты, обеспечивая свободное движение электрических зарядов. По оценкам исследователей, полученные тандемные фотокатоды достигают потенциала начала реакции 1,67 В относительно RHE и эффективности преобразования солнечной энергии в водород (STH) 7,9 % при работе в двухэлектродном режиме без внешнего смещения.

По итогам 10-часового цикла работы устройство сохранило 86 % от исходного фототока, тогда как у традиционных конструкций наблюдается падение производительности до 36%. Технология уже вышла за пределы лаборатории. Исследователи собрали наружный модуль площадью 320 см². Он продемонстрировал успешное производство водорода из солнечной энергии.

Для снижения затрат инженеры значительно сократили использование дорогостоящих металлов. В частности, содержание платины было уменьшено до 0,1% от массы, а в качестве вспомогательного электрода использовался никель-железо-кобальтовый катализатор.

Поскольку обе стороны работают в одном химическом растворе, конструкция позволяет обойтись без использования дорогостоящих нанообменных мембран. Результаты экономического моделирования показывают, что устройство может достичь теоретического предела в 16 % эффективности в промышленных масштабах. Это позволит производить водород по цене $4,2 за кг.

Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Catalysis B: Environment and Energy

Источник: Interesting Engineering