Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон объединили дешевые материалы на основе оксидов, чтобы разделить воду на газы водорода и кислорода с использованием солнечной энергии с эффективностью преобразования солнечного в водород 1,7%, что является самым высоким показателем для любой фотоэлектрической системы на основе оксидов. ,
Производство электричества — не единственный способ превратить солнечный свет в энергию, которую мы можем использовать по требованию. Солнце также может стимулировать реакции с образованием химического топлива, такого как водород, которое, в свою очередь, может приводить в действие автомобили, грузовики и поезда.
Проблема с производством солнечного топлива заключается в стоимости производства поглощающих солнце полупроводников и катализаторов для производства топлива. Самые эффективные материалы слишком дороги для производства топлива по цене, которая может конкурировать с бензином.
«Чтобы сделать коммерчески жизнеспособные устройства для производства солнечного топлива, затраты на материалы и обработку должны быть значительно снижены при достижении высокой эффективности преобразования солнечного топлива в топливо», — говорит Кёнг-Шин Чой, профессор химии в Висконсинском университете. -Madison.
В исследовании, опубликованном в журнале Science , Choi и постдокторантом Тае Ву Кимом, объединены дешевые материалы на основе оксидов для разделения воды на газы водорода и кислорода с использованием солнечной энергии с эффективностью преобразования солнечного в водород 1,7%, самый высокий из зарегистрированных для любой фотоэлектрической системы на основе оксида.
Чой создал солнечные элементы из ванадата висмута, используя электроосаждение — тот же процесс, который использовался для изготовления позолоченных ювелирных изделий или автомобильных кузовов — для увеличения площади поверхности соединения до замечательных 32 квадратных метров для каждого грамма.
«Без изысканного оборудования, высокой температуры или высокого давления мы создали нанопористый полупроводник из очень мелких частиц с большой площадью поверхности», — говорит Чой, чья работа поддерживается Национальным научным фондом. «Большая площадь поверхности означает большую площадь контакта с водой и, следовательно, более эффективное разделение воды».
Ванадат висмута нуждается в помощи для ускорения реакции, которая производит топливо, и именно здесь приходят парные катализаторы.
В то время как есть много исследовательских групп, работающих над разработкой фотоэлектрических полупроводников, и многие работают над разработкой катализаторов расщепления воды, по словам Чоя, соединение полупроводник-катализатор получает относительно мало внимания.
«Проблема в том, что в конце концов вы должны собрать их вместе», — говорит она. «Даже если у вас самый лучший в мире полупроводник и лучший в мире катализатор, их общая эффективность может быть ограничена интерфейсом полупроводник-катализатор».
Чой и Ким использовали пару дешевых и несколько несовершенных катализаторов — оксид железа и оксид никеля — наложив их на ванадат висмута, чтобы воспользоваться их относительной силой.
«Поскольку ни один катализатор не может обеспечить хорошую связь как с полупроводником, так и с водой, которая является нашим реагентом, мы решили разделить эту работу на две части», — говорит Чой. «Оксид железа хорошо соединяется с ванадатом висмута, а оксид никеля — с каталитической поверхностью воды. Поэтому мы используем их вместе ».
Двухслойная конструкция катализатора позволила одновременно оптимизировать соединение полупроводник-катализатор и соединение катализатор-вода.
«Объединение этого дешевого каталитического дуэта с нашим нанопористым полупроводниковым электродом с большой площадью поверхности привело к созданию недорогой фотоэлектрической системы на основе всех оксидов с рекордно высокой эффективностью», — говорит Чой.
Она ожидает, что основная работа, выполненная для доказательства повышения эффективности с помощью нанопористого ванадатного электрода висмута и двойных слоев катализатора, обеспечит лаборатории всего мира кормом для скачков вперед.
«Другие исследователи, изучающие различные типы полупроводников или различные типы катализаторов, могут начать использовать этот подход, чтобы определить, какие комбинации материалов могут быть еще более эффективными», — говорит Чой, чья лаборатория уже настраивает свой дизайн. «Какой-то инжиниринг, эффективность, которой мы достигли, может быть улучшен очень быстро».
Публикация : Tae Woo Kim & Kyoung-Shin Choi, «Нанопористые фотоаноды BiVO4 с двухслойными катализаторами выделения кислорода для солнечного расщепления воды», Science, 2014; DOI: 10.1126 / science.1246913
Изображение: Брайс Рихтер