Новое стабильное устройство искусственного фотосинтеза удваивает эффективность использования солнечного света для разделения пресной и соленой воды, вырабатывая водород, который затем можно использовать в топливных элементах.
Устройство также может быть переконфигурировано для превращения углекислого газа обратно в топливо.
Водород является наиболее экологически чистым топливом, единственным выбросом которого является вода. Но производство водорода не всегда экологически безопасно. Обычные методы требуют природного газа или электроэнергии. Метод, предложенный новым устройством, называемый прямым разделением воды на солнечной энергии, использует только воду и солнечный свет.
«Если бы мы могли напрямую хранить солнечную энергию в качестве химического топлива, как это делает природа с фотосинтезом, мы могли бы решить фундаментальную проблему возобновляемых источников энергии», - сказал Зетиан Ми, профессор электротехники и вычислительной техники в университете. из Мичигана, который руководил исследованием в Университете Макгилла в Монреале.
Факрул Алам Чоудхури, докторант в области электротехники и вычислительной техники в McGill, сказал, что проблема с солнечными батареями заключается в том, что они не могут хранить электричество без батарей, которые имеют высокую общую стоимость и ограниченный срок службы.
Устройство изготовлено из тех же широко используемых материалов, что и солнечные батареи и другая электроника, включая кремний и нитрид галлия (часто встречающийся в светодиодах). Благодаря промышленному дизайну, работающему только от солнечного света и морской воды, устройство прокладывает путь к крупномасштабному производству чистого водородного топлива.
Предыдущие вододелители прямого действия на солнечной энергии обеспечивали стабильное преобразование солнечной энергии в водород чуть более 1% в пресной или соленой воде. Другие подходы страдают от использования дорогостоящих, неэффективных или нестабильных материалов, таких как диоксид титана, которые также могут включать добавление сильнокислотных растворов для достижения более высокой эффективности.
Ми и его команда, однако, добились более чем 3-процентной эффективности преобразования солнечной энергии в водород. Чтобы достичь этой стабильной эффективности, команда построила наноразмерный городской пейзаж из башен из нитрида галлия, которые генерировали электрическое поле. Нитрид галлия превращает свет или фотоны в подвижные электроны и положительно заряженные вакансии, называемые дырками. Эти свободные заряды расщепляют молекулы воды на водород и кислород.
«Когда эта специально спроектированная пластина подвергается воздействию фотонов, электрическое поле помогает разделить фотогенерированные электроны и дырки, чтобы эффективно управлять производством молекул водорода и кислорода», - сказал Чоудхури.
В настоящее время кремниевая подложка чипа не способствует его функционированию, но он мог бы делать больше. Следующим шагом может стать использование кремния для улавливания света и направления носителей заряда в башни из нитрида галлия.
«Хотя 3-процентная эффективность может показаться низкой, в контексте 40 лет исследований этого процесса это на самом деле большой прорыв», - сказал Ми. «Естественный фотосинтез, в зависимости от того, как его рассчитать, имеет эффективность около 0,6 процента».
Он добавляет, что 5-процентная эффективность является порогом для коммерциализации, но его команда стремится к 20- или 30-процентной эффективности.
Mi проводит аналогичные исследования, чтобы очистить углекислый газ от кислорода, чтобы превратить полученный углерод в углеводороды, такие как метанол и синтетический газ. Этот путь исследования потенциально может удалять углекислый газ из атмосферы, как это делают растения.
"Это действительно захватывающая часть", сказала Ми.
Устройство задокументировано в исследовании «Система искусственного фотосинтеза с фотохимическим диодом для высокоэффективного общего расщепления чистой воды без посторонней помощи», опубликованном в Nature Communications. Наряду с Ми и Чоудхури в число соавторов входят Мишель Трюдо из Центра передового опыта в области электрификации транспорта и хранения энергии, Hydro-Québec, и Хун Го из Университета Макгилла.
Работа выполнена при поддержке Управления технологий топливных элементов Министерства энергетики США и сокращения выбросов Альберты.