211service.com
Soldriven vätegenerering
Forskare i Schweiz har visat mer effektiva vattenuppdelande solceller baserade på ett billigt, rikligt och långvarigt material: rost. Framstegen kan leda till ett billigt och energieffektivt sätt att generera väte för bränslecellsfordon som använder solenergi.
Vattendelande solpaneler skulle ha viktiga fördelar jämfört med befintlig teknik när det gäller väteproduktion. Just nu är det primära sättet att tillverka väte att separera det från naturgas, en process som genererar koldioxid och underskrider den främsta motivationen för att gå över till vätebränslecellsfordon: att sluta beroende av fossila bränslen. Det nuvarande alternativet är elektrolys, som använder elektricitet för att bryta vatten till väte och syre, med de två gaserna som bildas vid motsatta elektroder. Även om elektrolys är dyrt, kan det bli renare om källan till elektriciteten är vind, sol eller någon annan kolfri källa.
Men om källan till elektriciteten är solen skulle det vara mycket effektivare att använda solenergi för att producera väte genom en fotokemisk process inuti själva cellen. Genom att förbättra effektiviteten hos sådana solpaneler, Michael Grätzel , kemiprofessor vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, och hans kollegor har tagit ett viktigt steg mot detta mål.
Forskarna har visat att genom att inkludera små mängder kisel och kobolt kan de odla nanostrukturerade tunna filmer av järnoxid som omvandlar solljus till de elektroner som behövs för att bilda väte från vatten. Och järnoxidfilmerna gör detta mer effektivt än någonsin tidigare med detta material.
Järnoxid har länge varit ett tilltalande material för sådana solpaneler, delvis för att det håller sig bra i kontakt med vatten. Men även om det kan absorbera solljus, kunde de resulterande laddningsbärarna inte lätt fly materialet, så de kombinerade sig igen och eliminerade varandra innan de kunde dela vatten. Genom att dopa rosten med kisel lockade forskarna materialet till att bilda blomkålsliknande strukturer med extremt stor yta, vilket säkerställer att en stor del av atomerna i materialet var i kontakt med vattnet, eller mycket nära det. På så sätt kan hål lätt fly ut i vattnet, där de leder till generering av syrgas. Kislet förbättrar också elektronledningsförmågan i materialet, vilket är viktigt för att generera vätgas vid en motsatt elektrod. Forskarna förbättrade processen ytterligare genom att tillsätta kobolt, som fungerar som en katalysator för reaktionerna.
Grätzels nya järnoxidfilmer kan omvandla imponerande och, enligt forskarna, oöverträffade 42 procent av ultravioletta fotoner i solljus till elektroner och hål. Men systemets totala effektivitet är bara cirka 4 procent, delvis för att järnoxid inte absorberar alla delar av solspektrumet.
Huvudresultatet av Grätzels nya forskning, som visas i det aktuella numret av Journal of the American Chemical Society , är att den undersöker interaktionerna på jobbet i systemet i stor detalj, säger Brian Holcroft, VD för Väte Solar , ett företag baserat i Guildford, Storbritannien, som utvecklar sätt att massproducera paneler inspirerade av Grätzels material. Resultaten föreslår flera strategier som kan hjälpa den järnoxidbaserade panelen att nå den 10-procentiga effektivitetsnivån som skulle göra tekniken konkurrenskraftig med nuvarande sätt att skapa väte, säger Holcroft. (Järnoxid skulle teoretiskt kunna vara så mycket som 20 procent effektiv.) Dessa inkluderar justering av mängden och arrangemanget av kisel och kobolt, och förbättring av filmernas struktur.
Om denna effektivitetsnivå kan uppnås kan vätegenererande solenergi mildra några av de utmaningar som hotar att göra vätebränslecellsfordon opraktiska, säger George Sverdrup, väteteknikchef på Nationella laboratoriet för förnybar energi (NREL), i Golden, CO. Till exempel, om konsumenter och företag använde dessa paneler för att tillverka väte, snarare än att få väte från en stor anläggning, skulle det minska kostnaderna för att frakta väte, vilket gör vätgas mer överkomligt. Sol-till-vätepaneler skulle vara effektivare än små elektrolysmaskiner, och de skulle säkerställa att vätgas kommer från en förnybar källa.
Men utmaningarna kvarstår. Forskare på Hydrogen Solar letar till exempel efter en ersättare för den dyra platina som nu används i en av cellens elektroder, vilket kommer att vara viktigt för att hålla nere kostnaderna, särskilt som efterfrågan ökar på platina i denna och andra applikationer, som bränsle celler. Samtidigt säger Sverdrup att andra forskare, inklusive de vid NREL, arbetar med material som är mycket effektivare än järnoxid men som hittills bara har pågått i timmar. Om forskare kan få dem att hålla längre kan materialen utmana järnoxid.