Neuer Standard für grüne Wasserstofftechnologie, festgelegt von Ingenieuren der Rice University.
Ingenieure der Rice University können Sonnenlicht mit Rekordeffizienz in Wasserstoff umwandeln, dank eines Geräts, das Halogenid- und Perowskit-Halbleiter* der nächsten Generation mit Elektrokatalysatoren in einem einzigartigen, langlebigen, kostengünstigen und skalierbaren Gerät kombiniert.
Laut einer in Nature Communications veröffentlichten Studie erreichte das Gerät einen Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff von 20,8 %.
Die neue Technologie stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich sauberer Energie dar und könnte als Plattform für eine Vielzahl chemischer Reaktionen dienen, bei deren Umwandlung geernteter Solarstrom genutzt wird. Rohstoffe zu Kraftstoffen.
Das Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Aditya Mohite baut den integrierten Photoreaktor mithilfe einer Korrosionsschutzbarriere, die den Halbleiter vom Wasser isoliert, ohne den Elektronentransfer zu behindern.
„Die Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle zur Herstellung von Chemikalien ist eines der größten Hindernisse für eine saubere Energiewirtschaft“, sagte Austin Fehr, Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik und einer der Hauptautoren der Studie.
„Unser Ziel ist der Aufbau wirtschaftlich realisierbarer Plattformen zur Erzeugung solarbetriebener Kraftstoffe. Hier haben wir ein System entworfen, das Licht absorbiert und die elektrochemische Wasserspaltungschemie auf seiner Oberfläche ergänzt. »
Das Gerät wird als photoelektrochemische Zelle bezeichnet, da die Absorption von Licht, seine Umwandlung in Elektrizität und die Verwendung von Elektrizität zum Antreiben einer chemischen Reaktion alle im selben Gerät erfolgen. Bisher wurde der Einsatz photoelektrochemischer Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff durch die geringe Ausbeute und die hohen Kosten von Halbleitern erschwert.
„Alle Geräte dieser Art produzieren grünen Wasserstoff nur mit Sonnenlicht und Wasser, aber unseres ist außergewöhnlich, weil es eine Rekordeffizienz aufweist und einen sehr billigen Halbleiter verwendet“, sagte Fehr.
Mohite Lab und seine Mitarbeiter entwickelten das Gerät, indem sie ihre äußerst konkurrenzfähige Solarzelle in einen Reaktor verwandelten, der die gewonnene Energie nutzen konnte, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten.
Die Herausforderung, vor der sie standen, bestand darin, dass Halogenid*-Perowskite in Wasser äußerst instabil sind und die zur Isolierung der Halbleiter verwendeten Beschichtungen letztendlich ihren Betrieb stören oder beschädigen würden.
„In den letzten zwei Jahren haben wir verschiedene Materialien und Techniken ausprobiert“, sagte Michael Wong, Chemieingenieur bei Rice und Mitautor der Studie.
Nach langen Versuchen, die nicht zum gewünschten Ergebnis führten, fanden die Forscher schließlich eine erfolgreiche Lösung.
„Unsere Kernidee war, dass wir zwei Schichten für die Barriere brauchten, eine, um Wasser zu blockieren, und eine, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Perowskitschichten und der Schutzschicht herzustellen“, sagte Fehr.
„Unsere Ergebnisse sind am effektivsten für photoelektrochemische Zellen ohne Sonnenkonzentration und insgesamt am besten für diejenigen, die Perowskit-Halogenid-Halbleiter verwenden.
„Dies ist eine Premiere in einem Bereich, der historisch von unerschwinglich teuren Halbleitern dominiert wurde, und es könnte zum ersten Mal überhaupt einen Weg zur kommerziellen Machbarkeit dieses Gerätetyps darstellen“, sagte Fehr.
Die Forscher zeigten, dass ihr Barrieredesign für unterschiedliche Reaktionen und mit unterschiedlichen Halbleitern funktionierte, wodurch es auf viele Systeme anwendbar war.
„Wir hoffen, dass solche Systeme als Plattform dienen werden, um eine breite Palette von Elektronen in brennstoffbildende Reaktionen zu treiben, wobei reichlich vorhandene Rohstoffe verwendet werden und nur Sonnenlicht als Energiequelle dient“, sagte Mohite.
„Mit weiteren Verbesserungen in Stabilität und Skalierung könnte diese Technologie die Wasserstoffwirtschaft erschließen und die Art und Weise verändern, wie Menschen Produkte herstellen, von fossilen Brennstoffen zu Solarbrennstoffen“, fügte Fehr hinzu.
Perowskit – Dieses Mineral hat eine höhere Leitfähigkeit als Silizium und ist weniger spröde. Es kommt auch auf der Erde viel häufiger vor. Im letzten Jahrzehnt haben erhebliche Anstrengungen zu spektakulären Entwicklungen geführt, doch ihre Einführung in die zukünftige Optoelektronik bleibt eine Herausforderung. Perowskit-Photovoltaikzellen sind immer noch instabil und unterliegen einer vorzeitigen Alterung. Darüber hinaus enthalten sie Blei, ein Material, das sehr schädlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit ist. Aus diesen Gründen können die Panels nicht vermarktet werden.
Halogenierte Hybridperowskite sind eine Klasse von Halbleitermaterialien, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer bemerkenswerten photoelektrischen Eigenschaften und ihrer Anwendungen in Photovoltaiksystemen Gegenstand besonderer Forschung waren.
Quelle: Stanford University
Ursprünglich veröffentlicht in The European Times.
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