Läpimurto veden aurinkofotolyysissä vedyn tuotantoa varten

"Hiilihuippujen" ja "hiilineutraalien" strategioiden käyttöönotto on johtanut hiilidioksidipäästöjen vähenemiseen, ja vety on houkutteleva vaihtoehto puhtaana polttoaineena. Toisaalta vetyä tarvitaan myös moniin kemiallisiin prosesseihin, kuten lannoitteiden valmistukseen. Vetyä saadaan kuitenkin tällä hetkellä pääasiassa muuntamalla vettä ja kaasua, prosessi, joka ei ainoastaan ​​tuota suuria hiilidioksidipäästöjä, vaan kuluttaa myös suuria määriä lämpöenergiaa.

Luonnollinen fotosynteesi (kasvit käyttävät auringonvaloa vetyatomien saamiseksi vedestä) on hyvin tunnettua, mutta onko olemassa "keinotekoista fotosynteesitekniikkaa" vedyn saamiseksi? Täydelliseen hydrolyysiin perustuva fotokatalyyttinen vedyntuotanto on ympäristöystävällinen ja kestävä tekniikka, joka kuluttaa vain auringonvaloa ja vettä eikä tuota hiilidioksidipäästöjä, minkä vuoksi se herättää tällä hetkellä paljon huomiota. Nykyisten fotokatalyyttisten THM:ien alhainen muuntotehokkuus aurinkoenergiasta vedyksi (STH) rajoittaa kuitenkin niiden käytännön käyttöä.

Tätä silmällä pitäen Michiganin yliopiston professori Yonezawan tiimi on kehittänyt strategian saavuttaa jopa 9,2 prosentin STH-tehokkuus käyttämällä puhdasta vettä, väkevää auringonvaloa ja indiumgalliumnitridifotokatalyyttiä, joka jäljittelee luonnollisen fotosynteesin keskeisiä vaiheita. Ulkona tehdyt kokeet osoittavat, että se edustaa suurta harppausta tekniikan kannalta, sillä se on lähes 10 kertaa tehokkaampi kuin vastaavat aurinkoveden jakamiskokeet. Erityisesti tutkijat ovat osoittaneet, että fotokatalyyttinen veden kokonaishajoaminen InGaN/GaN-pinnoilla ei ainoastaan ​​edistä veden hajoamisreaktiota, vaan myös estää käänteistä vety-happikompleksoitumisreaktiota voimakkaan fokusoidun auringonvalon synnyttämän infrapunalämpövaikutuksen kautta, mikä mahdollistaa InGaN-nanolangat osoittavat erittäin korkean fotokatalyyttisen veden hajoamistehokkuuden. Tutkimustulokset julkaistiin Nature-lehden viimeisimmässä numerossa otsikolla "Auringon ja vedyn tehokkuus yli 9 prosenttia fotokatalyyttisen veden jakamisessa".

Tutkijat saavuttivat korkean 9,2 prosentin STH-tehokkuuden käyttämällä puhdasta vettä, väkevää auringonvaloa ja indiumgalliumnitridifotokatalyyttiä. Strategian menestys tässä artikkelissa johtuu synergistisesta vaikutuksesta, joka edistää eteenpäin suuntautuvaa vety-happievoluutiota ja estää käänteistä vety-happi-rekombinaatiota, mikä voidaan saavuttaa toimimalla optimaalisessa reaktiolämpötilassa (~70 celsiusastetta), suoraan keräämällä etukäteen. auringonvalon hukkaan heitetty infrapunavalo. Lisäksi tämä lämpötilasta riippuva strategia johti myös noin 7 prosentin STH-hyötysuhteeseen laajalti saatavilla olevasta vesijohtovedestä ja merivedestä ja 6,2 prosentin suuruinen hyötysuhde suuressa fotokatalyyttisessä vedenerotusjärjestelmässä, jonka luonnollisen auringonvalon kapasiteetti on 25 7W. Tämä tutkimus tarjoaa käytännöllisen lähestymistavan vetypolttoaineen tehokkaaseen tuotantoon luonnollisesta auringonvalosta ja vedestä, ylittäen aurinkovedytuotannon tehokkuuden pullonkaulan.