211service.com
Op zonne-energie werkende waterstofopwekking
Onderzoekers in Zwitserland hebben efficiëntere watersplitsende zonnecellen aangetoond op basis van een goedkoop, overvloedig en duurzaam materiaal: roest. De opmars kan leiden tot een goedkope en energiezuinige manier om waterstof op te wekken voor brandstofcelvoertuigen op zonne-energie.
Watersplitsende zonnepanelen zouden op het gebied van waterstofproductie belangrijke voordelen hebben ten opzichte van bestaande technologieën. Op dit moment is waterstof de belangrijkste manier om waterstof te maken door het te scheiden van aardgas, een proces dat koolstofdioxide genereert en de belangrijkste motivatie om over te stappen op brandstofcelvoertuigen op waterstof ondermijnt: het beëindigen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen. Het huidige alternatief is elektrolyse, waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof, waarbij de twee gassen zich vormen op tegenoverliggende elektroden. Hoewel elektrolyse kostbaar is, kan het schoner zijn als de bron van de elektriciteit wind, zon of een andere koolstofvrije bron is.
Maar als de bron van de elektriciteit de zon is, zou het veel efficiënter zijn om zonne-energie te gebruiken om waterstof te produceren door een fotochemisch proces in de cel zelf. Door het rendement van dergelijke zonnepanelen te verbeteren, Michael Grätzel , professor scheikunde aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Zwitserland, en zijn collega's hebben een belangrijke stap in de richting van dit doel gezet.
De onderzoekers hebben aangetoond dat ze door kleine hoeveelheden silicium en kobalt op te nemen, nanogestructureerde dunne films van ijzeroxide kunnen laten groeien die zonlicht omzetten in de elektronen die nodig zijn om waterstof uit water te vormen. En de ijzeroxidefilms doen dit efficiënter dan ooit tevoren met dit materiaal.
IJzeroxide is al lang een aantrekkelijk materiaal voor dergelijke zonnepanelen, onder meer omdat het goed standhoudt in contact met water. Maar hoewel het zonlicht kan absorberen, konden de resulterende ladingsdragers niet gemakkelijk uit het materiaal ontsnappen, dus recombineerden ze en wogen ze elkaar op voordat ze water konden splitsen. Door de roest te doteren met silicium, hebben de onderzoekers het materiaal overgehaald om bloemkoolachtige structuren te vormen met een extreem groot oppervlak, waardoor een groot deel van de atomen in het materiaal in contact kwam met of heel dicht bij het water. Op die manier zouden gaten gemakkelijk in het water kunnen ontsnappen, waar ze de vorming van zuurstofgas veroorzaken. Het silicium verbetert ook de elektronengeleiding in het materiaal, wat belangrijk is voor het genereren van waterstofgas aan een tegenoverliggende elektrode. De onderzoekers verbeterden het proces verder door kobalt toe te voegen, dat als katalysator voor de reacties werkt.
Grätzels nieuwe ijzeroxidefilms kunnen een indrukwekkende en volgens de onderzoekers ongekende 42 procent van de ultraviolette fotonen in zonlicht omzetten in elektronen en gaten. Maar de algehele efficiëntie van het systeem is slechts ongeveer 4 procent, deels omdat ijzeroxide niet alle delen van het zonnespectrum absorbeert.
Het belangrijkste resultaat van Grätzels nieuwe onderzoek, dat in het huidige nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society , is dat het de interacties in het systeem tot in detail onderzoekt, zegt Brian Holcroft, CEO van waterstof zonne- , een bedrijf gevestigd in Guildford, VK, dat manieren ontwikkelt om panelen in massa te produceren die zijn geïnspireerd op de materialen van Grätzel. De bevindingen suggereren verschillende strategieën die het op ijzeroxide gebaseerde paneel kunnen helpen het efficiëntieniveau van 10 procent te bereiken dat de technologie zou kunnen concurreren met de huidige manieren om waterstof te maken, zegt Holcroft. (IJzeroxide zou theoretisch tot 20 procent efficiënt kunnen zijn.) Deze omvatten het aanpassen van de hoeveelheid en rangschikking van silicium en kobalt en het verbeteren van de structuur van de films.
Als dit efficiëntieniveau kan worden bereikt, kan waterstofopwekkende zonne-energie een aantal van de uitdagingen verminderen die brandstofcelvoertuigen op waterstof onpraktisch dreigen te maken, zegt George Sverdrup, waterstoftechnologiemanager bij de Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie (NREL), in Golden, CO. Als consumenten en bedrijven bijvoorbeeld deze panelen zouden gebruiken om waterstof te maken, in plaats van waterstof uit een grote faciliteit te halen, zou dit de kosten voor het verzenden van waterstof verlagen, waardoor waterstof betaalbaarder wordt. Zonne-naar-waterstofpanelen zouden efficiënter zijn dan kleine elektrolysemachines, en ze zouden ervoor zorgen dat de waterstof uit een hernieuwbare bron komt.
Maar er blijven uitdagingen. Onderzoekers van Hydrogen Solar zijn bijvoorbeeld op zoek naar een vervanging voor het dure platina dat nu wordt gebruikt in een van de elektroden van de cel, wat belangrijk zal zijn om de kosten laag te houden, vooral omdat de vraag naar platina in deze en andere toepassingen, zoals brandstof, toeneemt. cellen. Ondertussen zegt Sverdrup dat andere onderzoekers, waaronder die van NREL, werken met materialen die veel efficiënter zijn dan ijzeroxide, maar die tot nu toe slechts enkele uren hebben geduurd. Als onderzoekers ervoor kunnen zorgen dat ze langer meegaan, kunnen de materialen ijzeroxide uitdagen.