Пробив в слънчевата фотолиза на вода за производство на водород

Въвеждането на стратегии за „въглеродни пикове“ и „въглеродно неутрални“ доведе до намаляване на въглеродните емисии, като водородът е привлекателна опция като чисто гориво. От друга страна, водородът е необходим и за много химични процеси, като например производството на торове. Понастоящем обаче водородът се получава главно чрез преобразуване на вода и газ, процес, който не само генерира големи въглеродни емисии, но и изразходва големи количества топлинна енергия.

Естествената фотосинтеза (растения, използващи слънчева светлина за получаване на водородни атоми от вода) е добре известна, но има ли техника за "изкуствена фотосинтеза" за получаване на водород? Фотокаталитичното производство на водород, базирано на пълна хидролиза, е екологична и устойчива технология, която консумира само слънчева светлина и вода и не произвежда въглеродни емисии, поради което в момента привлича много внимание. Въпреки това ниската ефективност на преобразуване на слънчева енергия към водород (STH) на настоящите фотокаталитични THM ограничава тяхното практическо приложение.

Имайки предвид това, екипът на професор Йонедзава в Университета на Мичиган разработи стратегия за постигане на ефективност на STH до 9,2 процента, използвайки чиста вода, концентрирана слънчева светлина и фотокатализатор от индиев галиев нитрид, който имитира ключовите стъпки в естествената фотосинтеза. Експериментите на открито показват, че представлява голям скок напред за технологията, тъй като е почти 10 пъти по-ефективен от сравнимите експерименти за разделяне на слънчевата вода. По-конкретно, изследователите са демонстрирали, че фотокаталитичното пълно разпадане на вода върху InGaN/GaN повърхности не само насърчава реакцията на разлагане на вода напред, но също така инхибира обратната реакция на водородно-кислородно комплексообразуване чрез инфрачервения термичен ефект, генериран от високоинтензивна фокусирана слънчева светлина, което позволява на InGaN нанопроводници за показване на изключително висока фотокаталитична обща ефективност на разпадане на вода. Резултатите от изследването са публикувани в последния брой на Nature под заглавието „Ефективност от слънчева енергия към водород от повече от 9 процента при фотокаталитично разделяне на водата“.

Изследователите постигнаха висока STH ефективност от 9,2 процента, използвайки чиста вода, концентрирана слънчева светлина и фотокатализатор от индиев галиев нитрид. Успехът на стратегията в тази статия произтича от синергичния ефект на насърчаване на еволюцията на водород-кислород напред и инхибиране на обратната рекомбинация водород-кислород, което може да се постигне чрез работа при оптимална реакционна температура (~70 градуса по Целзий), директно чрез събиране на реколтата преди това изразходвана инфрачервена светлина от слънчева светлина. Освен това, тази зависима от температурата стратегия също така доведе до ефективност на STH от ~7 процента от широко разпространената чешмяна вода и морска вода и 6,2 процента в голяма фотокаталитична система за разделяне на водата с капацитет на естествена слънчева светлина 25 7W. Това изследване предоставя практически подход към ефективното производство на водородно гориво от естествена слънчева светлина и вода, преодолявайки пречките в ефективността на слънчевото производство на водород.