Ново проучване повишава ефективността на производството на водород от вода

Търсенето на екологично гориво ни води до водорода – универсален източник на енергия с чисто изгаряне. Когато се изгаря, той произвежда само водна пара и топлина.

Освен екологичния си характер, изобилието от водород подхранва мечтите за трансформиране на транспорта, индустриите и производството на електроенергия. И все пак потенциалът му зависи от преодоляването на пречки като устойчивото производство.

Водородът се произвежда най-често чрез изгаряне на природен газ. Този метод обаче не е много устойчив поради отделяния въглероден диоксид по време на процеса и ограниченото снабдяване с природен газ.

Учените изследват фото-електрохимичното разлагане на водата за получаване на водород. Фото-електрохимичното разлагане има потенциала да осигури устойчив и изобилен източник на водород, без да разчита на изкопаеми горива. Въпреки това остават предизвикателства при оптимизирането на подобни технологии за ефективност и мащабност, както и разработването на рентабилни системи.

Изследователи от Корея и САЩ са разработили високоефективни фотоаноди, използващи органометални халидни перовскити (OHP) за фото-електрохимично разлагане на вода.

Какво е фото-електрохимично разлагане?

Този метод използва слънчева енергия за разлагане на водата за получаване на водород и кислород, произвеждайки нулеви директни емисии.

Когато фотони или частици светлина се сблъскат със специализирани материали, известни като фотоаноди, се задейства серия от събития. Водните молекули реагират на входящите фотони, като преминават през контролиран и селективен процес, освобождавайки водород и кислород.

Въпреки това, широкото прилагане на този подход е изправено пред ограничение, произтичащо от недостига на ефективни фотоаноди, способни да катализират реакцията на отделяне на кислород. Следващата стъпка се състои в това, че водните молекули се трансформират в кислород и протони.

Протоните са ключът тук. Те се насочват към катода (отрицателния електрод), където се комбинират с електрони от външна верига, за да образуват водороден газ.

Ефективността на тази реакция силно влияе върху цялостната производителност на фото-електрохимичното разлагане на вода, което прави разработването на ефективни фотоаноди основно предизвикателство за напредъка в осъществимостта и мащаба на производството на водород, управлявано от слънчева енергия.

Органометални халидни перовскити идват на помощ

Органометалните халидни перовскити играят решаваща роля за повишаване на ефективността на фото-електрохимичното разлагане на вода. Тези материали се отличават с преобразуването на светлината в енергия и са чудесни фотоаноди. Те абсорбират светлината добре.

Способността на органометалните халидни перовскити да пренасят заряди и тяхната каталитична мощност помагат за стимулиране на отделяне на кислород. Органометалните халидни перовскити потенциално могат да произвеждат ефективни, икономични фотоаноди, като по този начин ускоряват устойчивото производство на водород.

Въпреки това, органометалните халидни перовскити са изправени пред предизвикателства като загуби, дължащи се на нерадиационна комбинация и кинетика на бавна реакция, което възпрепятства тяхната ефективност.

За да преодолее това, изследователският екип възприе рационален подход към дизайна.

Те създадоха базирани на органометални халидни перовскити фотоаноди чрез въвеждане на слоеве, които предотвратяват нежеланата загуба на частици, генерирани от светлина. Освен това, те включиха Ni3S2 (никелов сулфид) с желязо, материал с отлични каталитични свойства, за да подобрят скоростта, с която водата се превръща в кислород, намалявайки загубите, където фотоанодите срещат електролитите.

Този гениален метод даде впечатляващи резултати. Допираните с желязо нови фотоаноди постигнаха изключителна ефективност от 12,79%, превъзхождайки предишните базирани на на органометални халидни перовскити фотоаноди. Този пробив има потенциала да трансформира методите за производство на водород, проправяйки пътя за по-ефективно и устойчиво производство на енергия.

„Нашето проучване дава представа за рационалния дизайн на високоефективни фотоаноди, базирани на органометални халидни перовскити. Тази технология може да играе жизненоважна роля в развитието на водородната икономика и насърчаването на решения за устойчива енергия“, подчертава д-р Сангхан Лий, водещият автор на изследването от Института за наука и технологии в Куанджу.

Резултатите от проучването са публикувани в списание Advanced Energy Materials.