Preboj v sončni fotolizi vode za proizvodnjo vodika

Uvedba strategij »carbon peaking« in »carbon neutral« je privedla do zmanjšanja emisij ogljika, pri čemer je vodik privlačna možnost kot čisto gorivo. Po drugi strani pa je vodik potreben tudi za številne kemične procese, kot je proizvodnja gnojil. Vendar pa se vodik trenutno pridobiva predvsem s pretvorbo vode in plina, procesom, ki ne ustvarja le velikih emisij ogljika, ampak tudi porabi velike količine toplotne energije.

Naravna fotosinteza (rastline uporabljajo sončno svetlobo za pridobivanje vodikovih atomov iz vode) je dobro znana, toda ali obstaja tehnika "umetne fotosinteze" za pridobivanje vodika? Fotokatalitsko pridobivanje vodika na osnovi popolne hidrolize je okolju prijazna in trajnostna tehnologija, ki porablja le sončno svetlobo in vodo ter ne proizvaja nobenih emisij ogljika, zato trenutno vzbuja veliko pozornosti. Vendar pa nizka učinkovitost pretvorbe sonca v vodik (STH) trenutnih fotokatalitskih THM omejuje njihovo praktično uporabo.

S tem v mislih je ekipa profesorja Yonezawa na Univerzi v Michiganu razvila strategijo za doseganje učinkovitosti STH do 9,2 odstotka z uporabo čiste vode, koncentrirane sončne svetlobe in fotokatalizatorja iz indijevega galijevega nitrida, ki posnema ključne korake naravne fotosinteze. Poskusi na prostem kažejo, da predstavlja velik korak naprej za tehnologijo, saj je skoraj 10-krat učinkovitejši od primerljivih poskusov delitve vode s soncem. Natančneje, raziskovalci so dokazali, da fotokatalitsko popolno razpadanje vode na površinah InGaN/GaN ne samo spodbuja reakcijo razgradnje vode naprej, ampak tudi zavira povratno reakcijo kompleksiranja vodika in kisika prek infrardečega toplotnega učinka, ki ga ustvari visokointenzivna fokusirana sončna svetloba, kar omogoča Nanožice InGaN za izjemno visoko fotokatalitično učinkovitost popolne razgradnje vode. Rezultati raziskave so bili objavljeni v zadnji številki revije Nature pod naslovom "Solar-to-hidrogen performance of more than 9 percent in photocatalytic water splitting".

Raziskovalci so dosegli visoko učinkovitost STH 9,2 odstotka z uporabo čiste vode, koncentrirane sončne svetlobe in fotokatalizatorja iz indijevega galijevega nitrida. Uspeh strategije v tem prispevku izhaja iz sinergističnega učinka spodbujanja naprednega razvoja vodika in kisika ter zaviranja povratne rekombinacije vodika in kisika, kar je mogoče doseči z delovanjem pri optimalni reakcijski temperaturi (~70 stopinj Celzija), neposredno s predhodnim žetvijo izgubljena infrardeča svetloba zaradi sončne svetlobe. Poleg tega je ta strategija, odvisna od temperature, povzročila tudi učinkovitost STH v višini ~7 odstotkov iz široko dostopne vode iz pipe in morske vode ter 6,2 odstotka v velikem fotokatalitskem sistemu za ločevanje vode z zmogljivostjo naravne sončne svetlobe 25 7 W. Ta raziskava zagotavlja praktičen pristop k učinkoviti proizvodnji vodikovega goriva iz naravne sončne svetlobe in vode, s čimer se odpravi ozko grlo učinkovitosti sončne proizvodnje vodika.