 Создание и хранение возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия или энергия ветра, является основным препятствием к чистой экономии энергии. Когда Объединенный центр искусственного фотосинтеза был создан в Калифорнийском технологическом институте и его партнерских институтах в 2010 году, они поставили себе одну главную цель: экономически эффективный метод производства топлива с использованием только солнечного света, воды и двуокись углерода, имитируя естественный процесс фотосинтеза в растениях и храня энергию в форме химического топлива для использования по требованию. За последние пять лет, исследователи внесли значительный прогресс в направлении к этой цели, и теперь они сообщают о разработке первой полной, эффективной, безопасной и интегрированной солнечной управляемой системы расщепления воды, чтобы создать водородное топливо.
Новая система создания солнечного топлива известна как искусственный лист, и состоит из трех основных компонентов: двух электродов (одного фотоанода и одного фотокатода) и мембраны. Фотоанод использует солнечный свет для окисления молекулы воды, создавая протоны и электроны, а также газообразный кислород. Фотокатод рекомбинирует протоны и электроны, чтобы сформировать водородный газ. Ключевой частью дизайна является пластиковая мембрана, которая держит газы кислорода и водорода по отдельности. Если два газа станут смешиваться и случайно поджечься, то может произойти взрыв; мембрана позволяет отдельно собирать водородное топливо под давлением и безопасно затолкнуть его в трубопровод.
Такие полупроводники как кремний или арсенид галлия, эффективно поглощают свет и поэтому используются в солнечных панелях. Тем не менее, эти материалы также окисляются на поверхности при контакте с водой, поэтому они не могут быть использован для генерации непосредственного топлива. Основным достижением, которое привело к разработке интегрированной системы, стала предыдущая работа, которая показал, что добавление слоя диоксида титана (TiO2) нанометровой толщины на электроды могут предотвратить их от коррозии, в то же время позволяя проходить свету и электронам. Новая завершенная система генерации солнечного топлива, разработанная исследователями, использует нанометровый слой TiO2 для эффективного предотвращения коррозии и повышения устойчивости фотоэлектрода на основе арсенида галлия.
Другим ключевым достижением является использование активных и недорогих катализаторов для производства топлива. Фотоанод требует катализатора для управления существенной реакцией расщепления воды. Редкие и дорогие металлы, такие, как платина могут служить эффективными катализаторами, но в своей работе команда обнаружила, что она может создать значительно дешевле, активный катализатор путем добавления 2-нанометрового толстый слой никеля на поверхности TiO2. Этот катализатор является одним из наиболее активных известных катализаторов для расщепления молекул воды на кислород, протоны и электроны, и является ключом к высокой эффективности.
Фотоанод был выращен на фотокатоде, который также содержит весьма активный и недорогой никель-молибденовый катализатор, чтобы создать один полностью интегрированный материал, который будет служит в качестве полной солнечной системы расщепления воды.
Одним из важнейших компонентов, который способствует эффективности и безопасности новой системы, является специальная пластиковая мембраны, которая отделяет газы и предотвращает возможность взрыва, в то же время позволяя ионам легко завершить электрическую цепь в элементе. Все компоненты являются стабильными при тех же условиях и работать вместе, чтобы обеспечить высокопроизводительную, полностью интегрированную система. Демонстрационная системы площадью примерно в один квадратный сантиметр площади, преобразует 10 процентов энергии солнечного света в накопленную энергию в химическом топливе, и может работать непрерывно в течение более 40 часов.
Работа исследователей показывает возможность безопасно и эффективного производства топлива из солнечного света в интегрированной системе с недорогими компонентами.
|
