Более дешевый, чистый и устойчивый способ получения водородного топлива из воды с использованием солнечного света стал на шаг ближе благодаря новому исследованию Центра устойчивых химических технологий Университета Бата.
Поскольку мировые лидеры вынуждены значительно сократить выбросы углерода для решения чрезвычайной ситуации, связанной с изменением климата, существует острая необходимость в разработке более чистых энергетических альтернатив сжиганию ископаемого топлива. Водород - это альтернативное топливо с нулевым выбросом углерода, которое можно использовать для питания автомобилей, производя только воду в качестве побочного продукта.
Его можно получить, разделив воду на водород и кислород, однако этот процесс требует большого количества электроэнергии. Большая часть электроэнергии производится путем сжигания метана, поэтому исследователи из Университета Бата разрабатывают новые солнечные элементы, которые используют световую энергию непосредственно для расщепления воды.
Большинство солнечных элементов, представленных в настоящее время на рынке, сделаны из кремния, однако они дороги в производстве и требуют большого количества очень чистого кремния. Кроме того, они довольно толстые и тяжелые, что ограничивает их применение.
Солнечные элементы из перовскита, в которых используются материалы с той же трехмерной структурой, что и оксид кальция и титана, дешевле в производстве, тоньше и могут быть легко напечатаны на поверхностях. Они также работают в условиях низкой освещенности и могут производить более высокое напряжение, чем кремниевые элементы, а это означает, что их можно использовать в помещении для питания устройств без необходимости подключения к сети.
Обратной стороной является то, что они нестабильны в воде, что представляет собой огромное препятствие в их развитии, а также ограничивает их использование для прямого производства чистого водородного топлива.
Группа ученых и инженеров-химиков из Центра устойчивых химических технологий Университета Бата решила эту проблему, используя водонепроницаемое покрытие из графита, материала, используемого в стержнях карандашей.
Они проверили гидроизоляцию, погрузив перовскитовые ячейки с покрытием в воду и используя собранную солнечную энергию для разделения воды на водород и кислород. Ячейки с покрытием проработали под водой 30 часов - на десять часов больше, чем предыдущий рекорд.
После этого периода клей, прикрепляющий покрытие к ячейкам, не сработал; ученые предполагают, что использование более прочного клея может стабилизировать клетки еще дольше.
Ранее сплавы, содержащие индий, использовались для защиты солнечных элементов при расщеплении воды, однако индий является редким металлом и поэтому дорог, а процесс его добычи не является устойчивым.
Команда Bath вместо этого использовала коммерчески доступный графит, который очень дешев и гораздо более устойчив, чем индий.
Доктор Петра Кэмерон, старший преподаватель химии, сказала: «Технология солнечных элементов на основе перовскита может сделать солнечную энергию намного более доступной для людей и позволить печатать солнечные элементы на черепице крыши. Однако в настоящее время они действительно нестабильны в вода - от солнечных батарей толку мало, если они растворятся под дождем!'
"Мы разработали покрытие, которое могло бы обеспечить эффективную гидроизоляцию элементов для целого ряда применений. Самое интересное в этом то, что мы использовали имеющийся в продаже графит, который намного дешевле и устойчивее, чем материалы, использовавшиеся ранее.."
Перовскитовые солнечные элементы производят более высокое напряжение, чем элементы на основе кремния, но все же этого недостаточно для разделения воды с использованием одних только солнечных элементов. Чтобы решить эту проблему, команда добавляет катализаторы, чтобы снизить потребность в энергии, необходимой для запуска реакции.
Изабелла Поли, научный сотрудник Марии Кюри FIRE и аспирант Центра устойчивых химических технологий, сказала: «В настоящее время водородное топливо производится путем сжигания метана, который не является ни чистым, ни устойчивым».
"Но мы надеемся, что в будущем мы сможем создавать чистое водородное и кислородное топливо из солнечной энергии с использованием перовскитовых элементов."
Исследование проводилось в сотрудничестве с командой SPECIFIC Университета Суонси.
Исследование опубликовано в журнале с открытым доступом Nature Communications.