Przez dziesięciolecia naukowcy na całym świecie szukali sposobów wykorzystania energii słonecznej do wygenerowania kluczowej reakcji produkcji wodoru jako źródła czystej energii – rozszczepiania cząsteczek wody w wodór i tlen. Jednak takie wysiłki w większości zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ wykonanie tego dobrze było zbyt kosztowne, a próba zrobienia tego niskim kosztem doprowadziła do słabej wydajności.
Teraz naukowcy z University of Texas w Austin znaleźli tani sposób rozwiązania połowy równania, wykorzystując światło słoneczne do skutecznego oddzielania cząsteczek tlenu od wody. Odkrycie, opublikowane niedawno w Nature Communications, stanowi krok naprzód w kierunku szerszego przyjęcia wodoru jako kluczowej części naszej infrastruktury energetycznej.
Już w latach 70. naukowcy badali możliwość wykorzystania energii słonecznej do wytwarzania wodoru. Jednak niemożność znalezienia materiałów o połączonych właściwościach potrzebnych do urządzenia, które może skutecznie przeprowadzać kluczowe reakcje chemiczne, nie pozwoliła mu stać się popularną metodą.
„Potrzebne są materiały, które dobrze pochłaniają światło słoneczne, a jednocześnie nie ulegają degradacji podczas reakcji rozszczepiania wody” – powiedział Edward Yu, profesor na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Szkoły Cockrell. „Okazuje się, że materiały, które dobrze pochłaniają światło słoneczne, są zwykle niestabilne w warunkach wymaganych do reakcji rozszczepiania wody, podczas gdy materiały, które są stabilne, zwykle słabo pochłaniają światło słoneczne. Te sprzeczne wymagania prowadzą do pozornie nieuniknionego kompromisu , ale łącząc wiele materiałów – jeden skutecznie pochłaniający światło słoneczne, taki jak krzem, i drugi zapewniający dobrą stabilność, taki jak dwutlenek krzemu – w jednym urządzeniu, ten konflikt można rozwiązać”.
Stwarza to jednak kolejne wyzwanie – elektrony i dziury powstałe w wyniku absorpcji światła słonecznego w krzemie muszą mieć możliwość łatwego przemieszczania się po warstwie dwutlenku krzemu. Zwykle wymaga to grubości warstwy dwutlenku krzemu nie większej niż kilka nanometrów, co zmniejsza jej skuteczność w ochronie absorbera krzemowego przed degradacją.
Kluczem do tego przełomu była metoda tworzenia ścieżek przewodzących prąd elektryczny przez grubą warstwę dwutlenku krzemu, którą można wykonać przy niskich kosztach i skalować do dużych nakładów produkcyjnych. Aby się tam dostać, Yu i jego zespół użyli techniki zastosowanej po raz pierwszy w produkcji półprzewodnikowych układów elektronicznych. Powlekając warstwę dwutlenku krzemu cienką warstwą aluminium, a następnie ogrzewając całą strukturę, powstają macierze nanoskalowych „kolców” aluminium, które całkowicie pokrywają warstwę dwutlenku krzemu. Można je następnie łatwo zastąpić niklem lub innymi materiałami, które pomagają katalizować reakcje rozszczepiania wody.
Po oświetleniu światłem słonecznym urządzenia mogą skutecznie utleniać wodę, tworząc cząsteczki tlenu, jednocześnie generując wodór na oddzielnej elektrodzie i wykazując wyjątkową stabilność podczas długotrwałej pracy. Ponieważ techniki wykorzystywane do tworzenia tych urządzeń są powszechnie stosowane w produkcji elektroniki półprzewodnikowej, powinny być łatwe do skalowania do masowej produkcji.
Zespół złożył tymczasowy wniosek patentowy w celu komercjalizacji technologii.
Ulepszenie sposobu wytwarzania wodoru ma kluczowe znaczenie dla jego przekształcenia się w opłacalne źródło paliwa. Obecnie większość produkcji wodoru odbywa się poprzez ogrzewanie pary i metanu, ale jest to w dużym stopniu uzależnione od paliw kopalnych i powoduje emisje dwutlenku węgla.
Istnieje nacisk na „zielony wodór”, który wykorzystuje bardziej przyjazne dla środowiska metody wytwarzania wodoru. Kluczową częścią tych wysiłków jest uproszczenie reakcji rozdzierania wody.
Wodór ma potencjał, aby stać się ważnym zasobem odnawialnym o pewnych wyjątkowych właściwościach. Odgrywa już ważną rolę w ważnych procesach przemysłowych i zaczyna pojawiać się w przemyśle motoryzacyjnym. Akumulatory ogniw paliwowych wyglądają obiecująco w długodystansowych samochodach ciężarowych, a technologia wodorowa może być dobrodziejstwem dla magazynowania energii, ze zdolnością do przechowywania nadmiaru energii wiatrowej i słonecznej wytworzonej w sprzyjających warunkach.
Idąc dalej, zespół będzie pracował nad poprawą wydajności udziału tlenu w rozszczepianiu wody poprzez zwiększenie szybkości reakcji. Kolejnym głównym wyzwaniem naukowców jest przejście do drugiej połowy równania.
„Najpierw byliśmy w stanie zająć się tlenową stroną reakcji, która jest trudniejszą częścią”, powiedział Yu, „ale musimy przeprowadzić zarówno reakcje wydzielania wodoru, jak i tlenu, aby całkowicie rozszczepić cząsteczki wody, więc właśnie dlatego naszym następnym krokiem jest przyjrzenie się zastosowaniu tych pomysłów do stworzenia urządzeń do części wodorowej w reakcji.”
