Proboj u solarnoj fotolizi vode za proizvodnju vodonika

Uvođenje strategija "ugljičnog maksimuma" i "ugljično neutralnog" dovelo je do smanjenja emisija ugljika, pri čemu je vodonik atraktivna opcija kao čisto gorivo. S druge strane, vodonik je također neophodan za mnoge hemijske procese, kao što je proizvodnja đubriva. Međutim, vodonik se trenutno dobiva uglavnom konverzijom vode i plina, procesom koji ne samo da stvara velike emisije ugljika već i troši velike količine toplinske energije.

Prirodna fotosinteza (biljke koje koriste sunčevu svjetlost za dobivanje atoma vodonika iz vode) je dobro poznata, ali postoji li tehnika "vještačke fotosinteze" za dobivanje vodonika? Fotokatalitička proizvodnja vodika bazirana na totalnoj hidrolizi je ekološki prihvatljiva i održiva tehnologija koja troši samo sunčevu svjetlost i vodu i ne proizvodi nikakve emisije ugljika, zbog čega trenutno privlači veliku pažnju. Međutim, niska efikasnost konverzije solarne u vodonik (STH) trenutnih fotokatalitičkih THM-a ograničava njihovu praktičnu primjenu.

Imajući ovo na umu, tim profesora Yonezawe na Univerzitetu u Mičigenu razvio je strategiju za postizanje efikasnosti STH do 9,2 posto upotrebom čiste vode, koncentrisane sunčeve svjetlosti i fotokatalizatora indijum galij nitrida, koji oponaša ključne korake u prirodnoj fotosintezi. Eksperimenti na otvorenom pokazuju da predstavlja veliki korak naprijed za tehnologiju, jer je skoro 10 puta efikasniji od uporedivih eksperimenata cijepanja vode na solarnu energiju. Konkretno, istraživači su pokazali da fotokatalitička potpuna dezintegracija vode na InGaN/GaN površinama ne samo da potiče reakciju raspadanja vode naprijed, već i inhibira obrnutu reakciju kompleksiranja vodonika i kisika putem infracrvenog termičkog efekta koji generira fokusirana sunčeva svjetlost visokog intenziteta, omogućavajući InGaN nanožice koje pokazuju izuzetno visoku fotokatalitičku efikasnost ukupne dezintegracije vode. Rezultati istraživanja objavljeni su u najnovijem broju časopisa Nature pod naslovom "Učinkovitost od sunca na vodonik od više od 9 posto u fotokatalitičkom cijepanju vode".

Istraživači su postigli visoku STH efikasnost od 9,2 posto koristeći čistu vodu, koncentrisanu sunčevu svjetlost i fotokatalizator indijum galij nitrida. Uspeh strategije u ovom radu proizilazi iz sinergističkog efekta unapređenja napredne evolucije vodonik-kiseonik i inhibicije reverzne rekombinacije vodonik-kiseonik, što se može postići radom na optimalnoj temperaturi reakcije (~70 stepeni Celzijusa), direktno uz prethodno žetvu. izgubljena infracrvena svjetlost od sunčeve svjetlosti. Nadalje, ova strategija ovisno o temperaturi je također rezultirala efikasnošću STH od ~7 posto od široko dostupne vode iz slavine i morske vode, i 6,2 posto u velikom fotokatalitičkom sistemu za odvajanje vode sa prirodnim kapacitetom sunčeve svjetlosti od 25 7W. Ovo istraživanje pruža praktičan pristup efikasnoj proizvodnji vodoničnog goriva iz prirodne sunčeve svjetlosti i vode, prevazilazeći usko grlo efikasnosti solarne proizvodnje vodonika.