Bilim İnsanları Hidrojen Üreten Güneş Pili İcat Etti

Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne kimya mühendisleri, şeffaf ve gözenekli yeni bir elektrot üzerine inşa edilmiş güneş enerjisiyle çalışan yapay bir yaprak icat ettiler. Yapay yaprak , hidrojen yakıtına dönüştürmek için atmosferden su toplayabilir . Yarı iletken tabanlı teknoloji ölçeklenebilir ve hazırlanması kolaydır.

Havadan su toplayabilen ve tamamen güneş enerjisiyle çalışan hidrojen yakıtı sağlayabilen bir cihaz, onlarca yıldır araştırmacıların hayali olmuştur. Şimdi, EPFL kimya mühendisi Kevin Sivula ve ekibi, bu vizyonu gerçeğe yaklaştırmak için önemli bir adım attı.

Ekip, yarı iletken tabanlı teknolojiyi iki temel özelliği olan yeni elektrotlarla birleştiren dahiyane ama basit bir sistem geliştirdi: havadaki su ile teması en üst düzeye çıkarmak için gözeneklidirler; ve yarı iletken kaplamanın güneş ışığına maruz kalmasını en üst düzeye çıkarmak için şeffaf. Cihaz sadece güneş ışığına maruz kaldığında havadan su alır ve hidrojen gazı üretir.

Başlıca buluş, şeffaf, gözenekli ve iletken olan yeni gaz difüzyon elektrotlarıdır ve bu güneş enerjili teknolojinin havadan gaz halindeki suyu hidrojen yakıtına dönüştürmesini sağlar.

EPFL'nin Optoelektronik Nanomalzemelerin Moleküler Mühendisliği Laboratuvarı'ndan ve çalışmanın baş araştırmacısı Sivula, “Sürdürülebilir bir toplum gerçekleştirmek için, yenilenebilir enerjiyi endüstride yakıt ve hammadde olarak kullanılabilecek kimyasallar olarak depolamanın yollarına ihtiyacımız var. Güneş enerjisi, yenilenebilir enerjinin en bol bulunan şeklidir ve güneş yakıtı üretmek için ekonomik açıdan rekabetçi yollar geliştirmeye çalışıyoruz.”

Bir bitkinin yaprağından ilham

EPFL mühendisleri, Toyota Motor Europe ile işbirliği içinde yenilenebilir fosil içermeyen yakıtlar için yaptıkları araştırmalarında, tesislerin havadaki karbondioksiti kullanarak güneş ışığını kimyasal enerjiye dönüştürme yönteminden ilham aldı. Bir bitki esasen çevresinden karbondioksit ve su toplar ve güneş ışığından gelen ekstra enerji artışıyla bu molekülleri fotosentez olarak bilinen bir süreçle şekerlere ve nişastalara dönüştürebilir. Güneş ışığının enerjisi, şekerlerin ve nişastaların içinde kimyasal bağlar şeklinde depolanır.

Sivula ve ekibi tarafından geliştirilen şeffaf gaz difüzyon elektrotları, hafif toplayıcı bir yarı iletken malzeme ile kaplandığında, gerçekten de yapay bir yaprak gibi davranarak havadan ve güneş ışığından su toplayarak hidrojen gazı üretiyor. Güneş ışığının enerjisi hidrojen bağları şeklinde depolanır.

Güneş ışığına karşı opak olan geleneksel katmanlara sahip elektrotlar oluşturmak yerine, alt tabakaları aslında 3 boyutlu bir keçeli cam elyaf ağıdır.

Çalışmanın baş yazarı Marina Caretti, "Prototip cihazımızı geliştirmek, şeffaf gaz difüzyon elektrotları daha önce gösterilmediği için zorluydu ve her adım için yeni prosedürler geliştirmemiz gerekiyordu. Bununla birlikte, her adım nispeten basit ve ölçeklenebilir olduğundan, yaklaşımımızın güneş enerjisiyle çalışan hidrojen üretimi için gaz difüzyon substratlarından başlayan geniş bir uygulama yelpazesi için yeni ufuklar açacağını düşünüyorum."

Sıvı sudan havadaki neme

Sivula ve diğer araştırma grupları daha önce fotoelektrokimyasal (PEC) hücre adı verilen bir cihaz kullanarak sıvı sudan ve güneş ışığından hidrojen yakıtı üreterek yapay fotosentez gerçekleştirmenin mümkün olduğunu göstermişti. Bir PEC hücresi, genellikle bir kimyasal reaksiyona neden olmak için sıvı çözeltiye batırılmış yarı iletken gibi ışığa duyarlı bir malzemeyi uyarmak için gelen ışığı kullanan bir cihaz olarak bilinir . Ancak pratik amaçlar açısından bu işlemin dezavantajları vardır, örneğin sıvı kullanan geniş alanlı PEC cihazları yapmak karmaşıktır.

Sivula, PEC teknolojisinin bunun yerine havadaki nemi toplamak için uyarlanabileceğini göstermek istedi ve bu da yeni gaz difüzyon elektrotlarının geliştirilmesine yol açtı. Elektrokimyasal hücrelerin (örn. yakıt hücrelerinin) sıvılar yerine gazlarla çalıştığı zaten gösterilmiştir, ancak daha önce kullanılan gaz difüzyon elektrotları opaktır ve güneş enerjisiyle çalışan PEC teknolojisi ile uyumsuzdur.

Şimdi, araştırmacılar çabalarını sistemi optimize etmeye odaklıyorlar. İdeal lif boyutu nedir? İdeal gözenek boyutu? İdeal yarı iletkenler ve membran malzemeleri? Bunlar, bu teknolojiyi ilerletmeye ve hidrojeni sıvı yakıtlara dönüştürmenin yeni yollarını geliştirmeye adanmış olan “Sun-to-X” AB Projesi'nde takip edilen sorulardır.

Şeffaf, gaz difüzyon elektrotları yapmak

Şeffaf gaz difüzyon elektrotları yapmak için araştırmacılar, esas olarak kuvars (silikon oksit olarak da bilinir) lifleri olan bir tür cam yünü ile başlar ve lifleri yüksek sıcaklıkta bir araya getirerek keçe gofretler halinde işler. Daha sonra gofret, mükemmel iletkenliği, sağlamlığı ve ölçek büyütme kolaylığı ile bilinen şeffaf, ince bir flor katkılı kalay oksit filmi ile kaplanır.

Bu ilk adımlar, havadaki su molekülleriyle teması en üst düzeye çıkarmak ve fotonların geçmesine izin vermek için gerekli olan şeffaf, gözenekli ve iletken bir levha ile sonuçlanır. Gofret daha sonra, bu sefer güneş ışığını emen yarı iletken malzemelerden oluşan ince bir film ile tekrar kaplanır. Bu ikinci ince kaplama yine de ışığın geçmesine izin verir, ancak gözenekli alt tabakanın geniş yüzey alanı nedeniyle opak görünür. Bu haliyle, bu kaplanmış gofret güneş ışığına maruz kaldığında zaten hidrojen yakıtı üretebilir.

Bilim adamları, kaplanmış gofreti içeren küçük bir oda ve ayrıca üretilen hidrojen gazını ölçüm için ayırmak için bir zar inşa etmeye devam ettiler. Odaları nemli koşullar altında güneş ışığına maruz kaldığında, hidrojen gazı üretiliyor ve bilim adamlarının yapmaya çalıştıkları şeyi başarıyorlar;

Bilim adamları gösterilerinde güneşten hidrojene dönüşüm verimliliğini resmi olarak incelememiş olsalar da, bunun bu prototip için mütevazı olduğunu ve şu anda sıvı bazlı PEC hücrelerinde elde edilebilecek olandan daha az olduğunu kabul ediyorlar. Kullanılan malzemelere bağlı olarak, kaplanmış levhanın maksimum teorik güneşten hidrojene dönüşüm verimliliği %12 iken, sıvı hücrelerin %19'a kadar verimli olduğu kanıtlanmıştır.

Bu önemli bir kilometre taşıdır. Ön işleme (suyu temizleme) yok, asit tuzları vb. ekleme. Muhtemelen güneşin parladığı ve nemin yeterince yüksek olduğu her yerde kurulur. Tek eksik parça, oksijeni O2'ye dönüştürmektir.

Bu atılım sadece birkaç haftalık. Araştırmanın verimliliği büyük ölçüde artıracak olması sürpriz olmayacaktır. İzleyeceğiz. Bazı açılardan bu teknoloji, elektrik üretmekten daha pratik bir anlam ifade ediyor.