Áttörés a víz napenergia-fotolízisében hidrogéntermelés céljából

A „szén-csúcs” és a „szén-semleges” stratégiák bevezetése a szén-dioxid-kibocsátás csökkenéséhez vezetett, és a hidrogén vonzó választási lehetőség tiszta üzemanyagként. Másrészt számos kémiai folyamathoz, például műtrágyagyártáshoz is szükség van hidrogénre. A hidrogént azonban jelenleg főként víz és gáz átalakításával nyerik, amely folyamat nemcsak nagy szén-dioxid-kibocsátással jár, hanem nagy mennyiségű hőenergiát is fogyaszt.

A természetes fotoszintézis (a növények a napfény segítségével hidrogénatomokat nyernek vízből) jól ismert, de létezik-e „mesterséges fotoszintézis” technika hidrogén előállítására? A totális hidrolízisen alapuló fotokatalitikus hidrogéngyártás egy környezetbarát és fenntartható technológia, amely csak napfényt és vizet fogyaszt, és nem termel szén-dioxid-kibocsátást, ezért jelenleg is nagy figyelem irányul rá. A jelenlegi fotokatalitikus THM-ek alacsony szoláris hidrogénné (STH) konverziós hatékonysága azonban korlátozza gyakorlati alkalmazásukat.

Ezt szem előtt tartva, Yonezawa professzor csapata a Michigani Egyetemen olyan stratégiát dolgozott ki, amellyel akár 9,2 százalékos STH-hatékonyságot érhet el tiszta víz, koncentrált napfény és indium-gallium-nitrid fotokatalizátor felhasználásával, amely a természetes fotoszintézis legfontosabb lépéseit utánozza. A szabadtéri kísérletek azt mutatják, hogy nagy előrelépést jelent a technológia terén, mivel közel 10-szer hatékonyabb, mint a hasonló napenergiával működő vízfelosztási kísérletek. Konkrétan a kutatók kimutatták, hogy az InGaN/GaN felületeken a fotokatalitikus teljes vízbontás nemcsak az előrehaladó vízbomlási reakciót segíti elő, hanem gátolja a fordított hidrogén-oxigén komplexképző reakciót is a nagy intenzitású fókuszált napfény által keltett infravörös hőhatáson keresztül, lehetővé téve a Az InGaN nanohuzalok rendkívül magas fotokatalitikus teljes vízbontási hatékonyságot mutatnak. A kutatási eredményeket a Nature legfrissebb számában publikálták "A napenergia-hidrogén hatásfok több mint 9 százalék a fotokatalitikus vízhasításban" címmel.

A kutatók magas, 9,2 százalékos STH-hatékonyságot értek el tiszta víz, koncentrált napfény és indium-gallium-nitrid fotokatalizátor használatával. A dolgozatban szereplő stratégia sikere az előrehaladó hidrogén-oxigén evolúció elősegítésének és a fordított hidrogén-oxigén rekombináció gátlásának szinergikus hatásából fakad, amely az optimális reakcióhőmérsékleten (~70 Celsius fok) történő működéssel, közvetlenül előzetes betakarítással érhető el. elpazarolt infravörös fény a napfénytől. Ezenkívül ez a hőmérséklet-függő stratégia a széles körben elérhető csapvízből és tengervízből ~7 százalékos STH-hatékonyságot, valamint 6,2 százalékos STH-hatékonyságot eredményezett egy 25 7W természetes napfény-kapacitással rendelkező, nagy fotokatalitikus vízleválasztó rendszerben. Ez a kutatás gyakorlati megközelítést kínál a hidrogén üzemanyag természetes napfényből és vízből történő hatékony előállításához, leküzdve a szoláris hidrogéntermelés hatékonysági szűk keresztmetszetét.