Ученые изобрели солнечную батарею, производящую водород

Инженеры-химики Федеральной политехнической школы Лозанны изобрели искусственный лист, работающий от солнечной энергии, на основе нового прозрачного и пористого электрода. Искусственный лист способен собирать воду из атмосферы для преобразования в водородное топливо. Полупроводниковая технология масштабируема и проста в подготовке.

Статья, сообщающая о результатах, была опубликована в Advanced Materials .

Устройство, которое может собирать воду из воздуха и получать водородное топливо, полностью работающее от солнечной энергии, было мечтой исследователей на протяжении десятилетий. Теперь инженер-химик EPFL Кевин Сивула и его команда сделали значительный шаг к тому, чтобы приблизить это видение к реальности.

Команда разработала гениальную, но простую систему, которая сочетает в себе полупроводниковую технологию с новыми электродами, обладающими двумя ключевыми характеристиками: они пористые, чтобы максимизировать контакт с водой в воздухе; и прозрачным, чтобы максимизировать воздействие солнечного света на полупроводниковое покрытие. Когда устройство просто подвергается воздействию солнечного света, оно берет воду из воздуха и производит газообразный водород.

Главным изобретением являются их новые газодиффузионные электроды, которые являются прозрачными, пористыми и проводящими, что позволяет использовать эту технологию на солнечной энергии для превращения воды — в ее газообразном состоянии из воздуха — в водородное топливо.

Сивула из Лаборатории молекулярной инженерии оптоэлектронных наноматериалов EPFL и главный исследователь исследования сказал: «Чтобы реализовать устойчивое общество, нам нужны способы хранения возобновляемой энергии в виде химических веществ, которые можно использовать в качестве топлива и сырья в промышленности. Солнечная энергия является наиболее распространенной формой возобновляемой энергии, и мы стремимся разработать экономически конкурентоспособные способы производства солнечного топлива».
Вдохновение от листа растения

В своих исследованиях возобновляемого топлива, не содержащего ископаемого топлива, инженеры EPFL в сотрудничестве с Toyota Motor Europe черпали вдохновение в том, как растения могут преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, используя углекислый газ из воздуха. Растение, по сути, собирает углекислый газ и воду из окружающей среды и, получая дополнительную энергию от солнечного света, может преобразовывать эти молекулы в сахара и крахмалы — процесс, известный как фотосинтез. Энергия солнечного света хранится в виде химических связей внутри сахаров и крахмалов.
Прозрачные газодиффузионные электроды, разработанные Сивула и его командой, при покрытии светособирающим полупроводниковым материалом действительно действуют как искусственный лист, собирая воду из воздуха и солнечного света для производства газообразного водорода. Энергия солнечного света хранится в виде водородных связей.Вместо создания электродов с традиционными слоями, непрозрачными для солнечного света, их подложка фактически представляет собой трехмерную сетку из валяных стеклянных волокон.

Марина Каретти, ведущий автор работы, сказала: «Разработка нашего прототипа устройства была сложной задачей, поскольку прозрачные газодиффузионные электроды ранее не демонстрировались, и нам приходилось разрабатывать новые процедуры для каждого этапа. Однако, поскольку каждый шаг относительно прост и масштабируем, я думаю, что наш подход откроет новые горизонты для широкого спектра приложений, начиная с газодиффузионных субстратов для производства водорода с помощью солнечной энергии».

От жидкой воды к влажности воздуха

Сивула и другие исследовательские группы ранее показали, что можно осуществлять искусственный фотосинтез путем получения водородного топлива из жидкой воды и солнечного света с помощью устройства, называемого фотоэлектрохимической (PEC) ячейкой. Ячейка PEC обычно известна как устройство, которое использует падающий свет для стимуляции фоточувствительного материала, такого как полупроводник, погруженного в жидкий раствор, чтобы вызвать химическую реакцию. Но для практических целей этот процесс имеет свои недостатки, например, сложно изготовить устройства PEC большой площади, использующие жидкость.

Компания Sivula хотела показать, что технология PEC может быть адаптирована для сбора влаги из воздуха, что привело к разработке их нового газодиффузионного электрода. Уже было показано, что электрохимические элементы (например, топливные элементы) работают с газами, а не с жидкостями, но использовавшиеся ранее газодиффузионные электроды непрозрачны и несовместимы с технологией PEC на солнечной энергии.

Теперь исследователи сосредоточили свои усилия на оптимизации системы. Каков идеальный размер волокна? Идеальный размер пор? Идеальные полупроводники и мембранные материалы? Эти вопросы рассматриваются в рамках проекта ЕС «Sun-to-X», посвященного развитию этой технологии и разработке новых способов преобразования водорода в жидкое топливо.
Изготовление прозрачных газодиффузионных электродов

Чтобы сделать прозрачные газодиффузионные электроды, исследователи начинают с типа стекловаты, которая по существу представляет собой волокна кварца (также известного как оксид кремния), и перерабатывают ее в войлочные пластины, сплавляя волокна вместе при высокой температуре. Затем пластина покрывается прозрачной тонкой пленкой легированного фтором оксида олова, известного своей превосходной проводимостью, надежностью и простотой масштабирования.

Эти первые шаги приводят к прозрачной, пористой и проводящей пластине, необходимой для максимального контакта с молекулами воды в воздухе и пропускания фотонов. Затем пластина снова покрывается, на этот раз тонкой пленкой полупроводниковых материалов, поглощающих солнечный свет. Это второе тонкое покрытие все еще пропускает свет, но кажется непрозрачным из-за большой площади поверхности пористой подложки. Как таковая, эта пластина с покрытием уже может производить водородное топливо под воздействием солнечного света.

Затем ученые построили небольшую камеру, содержащую пластину с покрытием, а также мембрану для отделения образующегося газообразного водорода для измерения. Когда их камера подвергается воздействию солнечного света во влажных условиях, выделяется газообразный водород, достигая того, что намеревались сделать ученые, показывая, что концепция прозрачного газодиффузионного электрода для производства газообразного водорода на солнечной энергии может быть реализована.

Хотя ученые формально не изучали эффективность преобразования солнечной энергии в водород в своей демонстрации, они признают, что она скромна для этого прототипа и в настоящее время меньше, чем может быть достигнута в ячейках PEC на жидкой основе. Основываясь на используемых материалах, максимальная теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии в водород пластины с покрытием составляет 12%, тогда как жидкие элементы продемонстрировали эффективность до 19%.
Это важная веха. Никакой предварительной обработки (очистка воды), добавление кислотных солей и т.д. Вероятно, схватывается везде, где светит солнце и достаточно высокая влажность. Единственная недостающая часть — это объединение кислорода в O2.

Этому прорыву всего несколько недель. Неудивительно, что исследования значительно повысят эффективность. Мы будем смотреть. В некоторых отношениях эта технология имеет больше практического смысла, чем производство электроэнергии.