$4,2 за кг: дослідники створили пристрій з рекордною ефективністю виробництва водню

Південнокорейські дослідники створили пристрій для отримання чистого водню з води та сонячної енергії з рекордною ефективністю.

Зазначається, що пристрій використовує сонячну енергію, щоб повністю самостійно розщепити молекули води. Традиційно для виробництва водню використовується природний газ з виділенням CO₂. Однак пристрої, що працюють на сонячній енергії, пропонують альтернативу без шкідливих викидів. Окрім цього пристрій не потребує зовнішнього джерела живлення.

Однак група дослідників з Національного інституту науки та технологій Ульсану (UNIST) спробувала розв’язати цю проблему. Дослідники створили тандемний пристрій, у якому два світлопоглинальні шари розміщуються один над одним. 

За результатами лабораторних досліджень крихітний елемент досяг ефективності перетворення сонячної енергії на водень у 7,9%. Це найвищий з коли-небудь зафіксованих показників для органічних напівпровідникових фотокатодів, які працюють без прикладеної  напруги зміщення.

Для розщеплення води необхідний мінімальний електричний поріг в 1,23 В. Одношарові органічні матеріали не здатні ефективно досягти цієї мети. Однак попередні спроби накласти два шари для підвищення напруги призводили до швидкої деградації. 

Стандартний з’єднувач, матеріал відомий як PEDOT:PSS, має високу кислотність й вразливий до води, через що він швидко пошкоджує сусідні елементи. Корейські дослідники замінили вразливе до корозії з’єднання на новий гібридний шар. 

Вони об’єднали оксид молібдену з органічною молекулою 2PACz. Оксид молібдену не має високої кислотності й не поглинає вологу. Він також утворює захисний екран й запобігає просочуванню рідких розчинників під час нанесення покриття. 

Окрім цього молекули 2PACz згладжують мікроскопічні дефекти, забезпечуючи вільний рух електричних зарядів. За оцінками дослідників, отримані тандемні фотокатоди досягають потенціалу початку реакції 1,67 В відносно RHE та ефективності перетворення сонячної енергії на водень у (STH) 7,9% за роботи у двоелектродному режимі без зовнішнього зміщення. 

За результатами 10-годинного циклу роботи пристрій зберіг 86% початкового фотоструму, тоді як традиційні конструкції демонструють падіння продуктивності до 36%. Технологія вже вийшла за межі лабораторії. Дослідники зібрали зовнішній модуль площею 320 см². Він продемонстрував успішне виробництво водню від сонячної енергії. 

Для зниження витрат інженери значно скоротили використання вартісних металів. Зокрема, вміст платини був зменшений до 0,1% від ваги, а як допоміжний електрод використовувався нікель-залізо-кобальтовий каталізатор. 

Оскільки обидві сторони працюють в одному хімічному розчині, конструкція дозволяє уникнути використання дорогих нанообмінних мембран. Результати економічного моделювання демонструють, що пристрій може досягти теоретичної межі у 16% ефективності у промислових масштабах. Це дозволить виробляти водень за ціною $4,2 за кг. 

Результати дослідження опубліковані в журналі Applied Catalysis B: Environment and Energy

Джерело: Interesting Engineering