Yenilenebilir Enerjide Devrim Yaratmak: İnce Havadan Hidrojen Yakıtı Üretmek İçin Güneş Işığını Kullanmak

Bilim adamları, havadan su toplayabilen ve güneş enerjisi kullanarak hidrojen yakıtı üretebilen bir cihaz yaratma yolunda önemli bir adım attı. Havadaki su ile teması ve yarı iletken kaplamanın güneş ışığına maruz kalmasını en üst düzeye çıkarmak için yarı iletken tabanlı teknolojiyi gözenekli ve şeffaf olan yeni elektrotlarla birleştiren bir sistem geliştirdiler. Cihaz güneş ışığına maruz kaldığında havadan su alır ve hidrojen gazı üretir.

Havadan su toplayıp hidrojen yakıtı sağlayabilen (tamamen güneş enerjisiyle çalışan) bir cihaz bir hayaldi. onlarca yıldır araştırmacılar için. Şimdi, EPFL kimya mühendisi Kevin Sivula ve ekibi, bu vizyonu gerçeğe yaklaştırmak için önemli bir adım attı. Yarı iletken tabanlı teknolojiyi iki temel özelliği olan yeni elektrotlarla birleştiren dahiyane ama basit bir sistem geliştirdiler: 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. Sonuçlar 4 Ocak 2023’te Advanced Materials’da yayınlandı.

Yenilikler neler? Şeffaf, gözenekli ve iletken olan yeni gaz difüzyon elektrotları, güneş enerjisiyle çalışan bu teknolojinin havadaki gaz halindeki suyu hidrojen yakıtına dönüştürmesini sağlıyor.

“Sürdürülebilir bir toplum gerçekleştirmek için Yenilenebilir enerjiyi, endüstride yakıt ve ham madde olarak kullanılabilecek kimyasallar olarak depolamanın yollarına ihtiyacımız var. EPFL’nin Optoelektronik Nanomalzemeler Moleküler Mühendisliği Laboratuvarı’ndan ve araştırmanın baş araştırmacısı Sivula, “Güneş enerjisi, yenilenebilir enerjinin en bol bulunan biçimidir ve güneş yakıtlarını üretmek için ekonomik olarak rekabetçi yollar geliştirmeye çalışıyoruz” diyor.

{7 }

Kevin Sivula laboratuvarında. Kredi: Alain Herzog / EPFL

Bir bitkinin yaprağından ilham

EPFL mühendisleri, Toyota Motor Europe ile işbirliği içinde yenilenebilir fosil içermeyen yakıtlar için yaptıkları araştırmalarında, bitkiler havadaki karbondioksiti kullanarak güneş ışığını kimyasal enerjiye çevirebilirler. 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, şekerler ve nişastaların içindeki kimyasal bağlar biçiminde depolanır.

Sivula ve ekibi tarafından geliştirilen şeffaf gaz difüzyon elektrotları, hafif hasadı yapan yarı iletken bir malzemeyle kaplandığında gerçekten de yapay bir madde gibi davranır. yaprak, hidrojen gazı üretmek için havadan ve güneş ışığından su toplar. Güneş ışığının enerjisi, hidrojen bağları biçiminde depolanır.

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

{6 }Çalışmanın baş yazarı Marina Caretti şöyle diyor: “Şeffaf gaz difüzyon elektrotları daha önce gösterilmediğinden ve her adım için yeni prosedürler geliştirmemiz gerektiğinden prototip cihazımızı geliştirmek zordu. Bununla birlikte, her adım nispeten basit ve ölçeklenebilir olduğundan, yaklaşımımızın güneş enerjisiyle çalışan hidrojen üretimi için gaz difüzyon alt tabakalarından başlayan geniş bir uygulama yelpazesi için yeni ufuklar açacağını düşünüyorum.”

Sıvı sudan neme havada

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 için bu sürecin dezavantajları vardır, örn. 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 (ör. yakıt hücrelerinin) sıvılar yerine gazlarla çalıştığı zaten gösterilmiştir, ancak daha önce kullanılan gaz difüzyon elektrotları opaktır ve güneş enerjisiyle çalışan PEC teknolojisiyle uyumsuzdur.

Şimdi, araştırmacılar odaklanıyor sistemi optimize etme çabaları. 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 “Sun-to-X” AB Projesi’nde takip edilen sorulardır.

Şeffaf, gaz difüzyonu yapmak elektrotlar

Şeffaf gaz difüzyon elektrotları yapmak için araştırmacılar, esas olarak kuartz (silikon oksit olarak da bilinir) elyafları olan bir tür cam yünü ile başlar ve elyafları bir noktada birleştirerek keçe gofretler halinde işler. Yüksek sıcaklık. 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. Daha sonra gofret, bu sefer güneş ışığını soğuran yarı iletken malzemelerden oluşan ince bir filmle 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, üretilen hidrojen gazını ölçüm için ayırmak için bir zarın yanı sıra kaplanmış gofreti içeren küçük bir oda inşa etmeye devam ettiler. Odaları nemli koşullar altında güneş ışığına maruz kaldığında, hidrojen gazı üretiliyor ve bilim adamlarının yapmaya çalıştıkları şeyi başarıyorlar; bu da, güneş enerjisiyle çalışan hidrojen gazı üretimi için şeffaf bir gaz difüzyon elektrodu kavramının gerçekleştirilebileceğini gösteriyor.

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 dönüştürme verimliliği %12’dir, oysa sıvı hücrelerin %19’a varan oranda verimli olduğu kanıtlanmıştır.

Referans: “Şeffaf Gözenekli İletken Yüzeyler Gaz Fazlı Fotoelektrokimyasal Hidrojen Üretimi” Marina Caretti, Elizaveta Mensi, Raluca-Ana Kessler, Linda Lazouni, Benjamin Goldman, Loï Carbone, Simon Nussbaum, Rebekah A. Wells, Hannah Johnson, Emeline Rideau, Jun-ho Yum ve Kevin Sivula, 28 Kasım 2022, Gelişmiş Malzemeler.
DOI: 10.1002/adma.202208740