Izrāviens saules fotolīzē ūdens ūdeņraža ražošanai

"Oglekļa maksimālās koncentrācijas" un "oglekļa neitrālas" stratēģijas ieviešana ir samazinājusi oglekļa emisijas, un ūdeņradis ir pievilcīgs risinājums kā tīra degviela. No otras puses, ūdeņradis ir nepieciešams arī daudzos ķīmiskos procesos, piemēram, mēslošanas līdzekļu ražošanā. Tomēr pašlaik ūdeņradi galvenokārt iegūst, pārveidojot ūdeni un gāzi, kas ir process, kas ne tikai rada lielas oglekļa emisijas, bet arī patērē lielu daudzumu siltumenerģijas.

Dabiskā fotosintēze (augi, kas izmanto saules gaismu, lai no ūdens iegūtu ūdeņraža atomus) ir labi zināma, taču vai ir "mākslīgās fotosintēzes" paņēmiens ūdeņraža iegūšanai? Fotokatalītiskā ūdeņraža ražošana, kas balstīta uz totālo hidrolīzi, ir videi draudzīga un ilgtspējīga tehnoloģija, kas patērē tikai saules gaismu un ūdeni un nerada oglekļa emisijas, tāpēc šobrīd tai tiek pievērsta liela uzmanība. Tomēr pašreizējo fotokatalītisko THM zemā saules enerģijas pārveidošanas efektivitāte uz ūdeņradi (STH) ierobežo to praktisko pielietojumu.

Ņemot to vērā, Mičiganas Universitātes profesora Yonezawa komanda ir izstrādājusi stratēģiju, lai sasniegtu STH efektivitāti līdz 9,2 procentiem, izmantojot tīru ūdeni, koncentrētu saules gaismu un indija gallija nitrīda fotokatalizatoru, kas atdarina dabiskās fotosintēzes galvenos soļus. Eksperimenti brīvā dabā liecina, ka tas ir liels lēciens uz priekšu tehnoloģijai, jo tas ir gandrīz 10 reizes efektīvāks nekā salīdzināmi saules ūdens sadalīšanas eksperimenti. Konkrētāk, pētnieki ir pierādījuši, ka fotokatalītiskā kopējā ūdens sadalīšanās uz InGaN/GaN virsmām ne tikai veicina ūdens sadalīšanās reakciju, bet arī kavē reverso ūdeņraža-skābekļa kompleksēšanas reakciju, izmantojot infrasarkano termisko efektu, ko rada augstas intensitātes fokusēta saules gaisma, ļaujot InGaN nanovadiem ir ārkārtīgi augsta fotokatalītiskā kopējā ūdens sadalīšanās efektivitāte. Pētījuma rezultāti tika publicēti jaunākajā Nature numurā ar nosaukumu "Saules un ūdeņraža efektivitāte vairāk nekā 9 procenti fotokatalītiskā ūdens sadalīšanā".

Pētnieki sasniedza augstu STH efektivitāti 9,2% apmērā, izmantojot tīru ūdeni, koncentrētu saules gaismu un indija gallija nitrīda fotokatalizatoru. Stratēģijas panākumi šajā rakstā izriet no sinerģiskā efekta, kas veicina ūdeņraža-skābekļa attīstību un kavē reverso ūdeņraža-skābekļa rekombināciju, ko var panākt, darbojoties optimālā reakcijas temperatūrā (~70 grādi pēc Celsija), tieši iepriekš novācot ražu. izšķērdēta infrasarkanā gaisma no saules gaismas. Turklāt šī no temperatūras atkarīgā stratēģija nodrošināja arī STH efektivitāti aptuveni 7% apmērā no plaši pieejamā krāna ūdens un jūras ūdens un 6,2% lielā fotokatalītiskā ūdens atdalīšanas sistēmā ar dabiskās saules gaismas jaudu 25 7W. Šis pētījums sniedz praktisku pieeju efektīvai ūdeņraža degvielas ražošanai no dabiskās saules gaismas un ūdens, pārvarot saules ūdeņraža ražošanas efektivitātes trūkumu.