St John’s College
Po novih raziskavah lahko naprave iz lahko dostopnih materialov na osnovi oksidov in ogljika v nekaj tednih proizvedejo čist vodik iz vode.
Ugotovitve, ki jih je skupaj z akademiki na Imperial College London vodil Dr. Virgil Andrei, raziskovalec na St John’s College, University of Cambridge, bi lahko pomagale odpraviti eno od ključnih težav pri proizvodnji energije iz sončeve svetlobe, saj so sedanji materiali, ki absorbirajo svetlobo na Zemlji, omejeni zaradi svoje učinkovitosti ali stabilnosti.
Neraziskani materiali za izkoriščanje svetlobe
Vodikovo gorivo bo imelo ključno vlogo pri prehodu na popolno razogljičenje in doseganju cilja Združenega kraljestva, da do leta 2050 doseže ničelne neto emisije. Ker se večina vodika trenutno pridobiva iz fosilnih goriv, si raziskovalci zdaj prizadevajo najti načine za bolj trajnostno pridobivanje vodika. Eden od načinov je izdelava naprav, ki lahko zbirajo sončno svetlobo in cepijo vodo za proizvodnjo zelenega vodika.
Za zeleno proizvodnjo vodika so bili preizkušeni številni materiali, ki absorbirajo svetlobo, vendar se jih večina ob potopitvi v vodo hitro razgradi. Perovskiti so na primer najhitreje rastoči materiali glede učinkovitosti zbiranja svetlobe, vendar so v vodi nestabilni in vsebujejo svinec. To predstavlja nevarnost uhajanja, zato si raziskovalci prizadevajo razviti alternative brez svinca.
Bismutov oksijodid (BiOI) je nestrupen alternativni polprevodnik, ki je bil zaradi svoje slabe stabilnosti v vodi spregledan za uporabo v solarnih sistemih. Vendar so se raziskovalci na podlagi prejšnjih ugotovitev o potencialu BiOI odločili, da ponovno preverijo obetavnost tega materiala za proizvodnjo zelenega vodika. Dr. Robert Hoye, predavatelj na oddelku za materiale na Imperial College London, je pojasnil: »Bismutov oksijodid je zanimiv fotoaktivni material, ki ima energijske nivoje na pravih mestih za cepitev vode. Pred nekaj leti smo dokazali, da so BiOI sončne celice stabilnejše od tistih, ki uporabljajo najsodobnejše perovskitne absorberje svetlobe. Želeli smo preveriti, ali lahko to stabilnost prenesemo na zeleno proizvodnjo vodika.«
Profesorica Judith Driscoll z oddelka za znanost o materialih in metalurgijo Univerze v Cambridgeu je povedala: »S tem materialom se ukvarjamo že nekaj časa zaradi njegovih širokih možnosti uporabe, enostavnosti izdelave, nizke toksičnosti in dobre stabilnosti. Bilo je odlično, da smo združili strokovno znanje različnih raziskovalnih skupin v Cambridgeu in pri Imperialu.«
Preboj v proizvodnji energije iz sončne svetlobe
Skupina raziskovalcev je izdelala naprave, ki posnemajo naravni proces fotosinteze v listih rastlin, le da namesto sladkorjev proizvajajo goriva, kot je vodik. Te naprave z umetnimi listi so bile izdelane iz BiOI in drugih trajnostnih materialov ter so zbirale sončno svetlobo za proizvodnjo O2, H2 in CO. Raziskovalci so našli način, kako povečati stabilnost teh naprav z umetnimi listi, tako da so BiOI vstavili med dve oksidni plasti. Robustna struktura naprave na osnovi oksidov je bila dodatno premazana z vodoodbojno grafitno pasto, ki je preprečevala vdor vlage. To je podaljšalo stabilnost pik iz bizmutovega oksijodida , ki so absorbirala svetlobo iz nekaj minut na nekaj mesecev, vključno s časom, ko so bile naprave skladiščene.
To je pomembna ugotovitev, ki BiOI spreminja v učinkovit zbiralnik svetlobe za stabilno proizvodnjo zelenega vodika. »Te oksidne plasti izboljšajo sposobnost proizvodnje vodika v primerjavi s samostojnimi BiOI,« je povedal Dr. Robert Jagt (Oddelek za znanosti o materialih in metalurgijo, Univerza v Cambridgeu), eden od avtorjev.
Raziskovalci so še ugotovili, da so naprave z umetnimi listi, ki so sestavljene iz več območij za zbiranje svetlobe (imenovanih »piksli«), učinkovitejše od običajnih naprav z enim samim večjim pikslom enake skupne velikosti. Ta ugotovitev bi lahko olajšala in pospešila povečanje obsega novih svetlobnih zbiralnikov za trajnostno proizvodnjo goriva.
Dr. Virgil Andrei, soavtor z Oddelka za kemijo v Cambridgeu, pojasnjuje: »Tudi če je nekaj pikslov okvarjenih, smo jih lahko odklopili, tako da ne vplivajo na ostale. To pomeni, da smo lahko ohranili učinkovitost majhnih pikslov na večji površini.« Povečana zmogljivost je napravi omogočila ne le proizvodnjo vodika, temveč tudi redukcijo CO2 v sintezni plin, ki je pomemben vmesni produkt pri industrijski sintezi kemikalij in farmacevtskih izdelkov.
Pogled v prihodnost
Ugotovitve kažejo, da lahko te nove naprave izpodbijajo učinkovitost obstoječih absorberjev svetlobe. Novi načini za povečanje stabilnosti naprav z umetnimi BiOI listi se zdaj lahko prenesejo na druge nove sisteme in pomagajo pri njihovi komercializaciji. »To je razburljiv razvoj! Trenutno je le malo sistemov za sončno energijo, ki bi bili stabilni in primerni za uporabo v resničnem svetu. S tem delom smo naredili korak naprej k vzpostavitvi krožnega gospodarstva goriv,« je povedal profesor Erwin Reisner (Oddelek za kemijo, Cambridge), eden od ustreznih avtorjev.
Ugotovitve so bile objavljene v Nature Materials reviji.
To delo so delno podprli Cambridge Trust, Wintonov program za fiziko trajnostnega razvoja, Kraljeva akademija za inženirstvo, Svet za raziskovanje inženirskih in fizikalnih znanosti (EPSRC) in Evropski raziskovalni svet.
Judith Driscoll je predstojnica katedre za nove tehnologije pri Kraljevi akademiji za inženirstvo. Robert Hoye je raziskovalni sodelavec Kraljeve akademije za inženirstvo. Virgil Andrei in Erwin Reisner sta člana kolegija St John’s College v Cambridgeu. Robert Jagt je doktorski študent na Oddelku za znanost o materialih in metalurgijo Univerze v Cambridgeu.
Viri:
Virgil Andrei, Robert A. Jagt et al. ‘Long-term solar water and CO2 splitting with photoelectrochemical BiOI–BiVO4 tandems’ Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01262-w
Povzeto po:
https://bit.ly/3DDXTwq
