Prelom v solárnej fotolýze vody na výrobu vodíka

Zavedenie stratégií „uhlíkového maxima“ a „uhlíkovo neutrálnej“ viedlo k zníženiu emisií uhlíka, pričom vodík je atraktívnou možnosťou ako čisté palivo. Na druhej strane je vodík potrebný aj pre mnohé chemické procesy, ako je napríklad výroba hnojív. Vodík sa však v súčasnosti získava najmä premenou vody a plynu, čo je proces, ktorý nielenže vytvára veľké emisie uhlíka, ale spotrebúva aj veľké množstvo tepelnej energie.

Prirodzená fotosyntéza (rastliny využívajúce slnečné svetlo na získavanie vodíkových atómov z vody) je dobre známa, existuje však technika „umelej fotosyntézy“ na získanie vodíka? Fotokatalytická výroba vodíka založená na totálnej hydrolýze je ekologická a udržateľná technológia, ktorá spotrebováva iba slnečné svetlo a vodu a neprodukuje žiadne uhlíkové emisie, a preto v súčasnosti púta veľkú pozornosť. Nízka účinnosť premeny slnka na vodík (STH) súčasných fotokatalytických THM však obmedzuje ich praktickú aplikáciu.

S ohľadom na túto skutočnosť tím profesora Yonezawu z University of Michigan vyvinul stratégiu na dosiahnutie účinnosti STH až 9,2 percenta pomocou čistej vody, koncentrovaného slnečného svetla a fotokatalyzátora z nitridu india a gália, ktorý napodobňuje kľúčové kroky v prirodzenej fotosyntéze. Vonkajšie experimenty ukazujú, že predstavuje veľký skok vpred pre túto technológiu, pretože je takmer 10-krát účinnejší ako porovnateľné solárne experimenty so štiepením vody. Konkrétne výskumníci preukázali, že fotokatalytická úplná dezintegrácia vody na povrchoch InGaN/GaN nielenže podporuje reakciu rozkladu vody vpred, ale tiež inhibuje reverznú reakciu komplexu vodík-kyslík prostredníctvom infračerveného tepelného efektu generovaného vysoko intenzívnym sústredeným slnečným žiarením, čo umožňuje Nanodrôty InGaN vykazujú extrémne vysokú fotokatalytickú celkovú účinnosť dezintegrácie vody. Výsledky výskumu boli publikované v najnovšom čísle časopisu Nature pod názvom „Účinnosť medzi slnečnou a vodíkovou energiou viac ako 9 percent pri fotokatalytickom štiepení vody“.

Výskumníci dosiahli vysokú účinnosť STH 9,2 percenta pomocou čistej vody, koncentrovaného slnečného žiarenia a fotokatalyzátora z nitridu india a gália. Úspech stratégie v tomto dokumente pramení zo synergického efektu podpory predného vývoja vodík-kyslík a inhibície reverznej vodíkovo-kyslíkovej rekombinácie, ktorú možno dosiahnuť prevádzkou pri optimálnej reakčnej teplote (~ 70 stupňov Celzia), priamo zberom predtým zbytočné infračervené svetlo zo slnečného žiarenia. Okrem toho táto stratégia závislá od teploty tiež viedla k účinnosti STH ~7 percent z bežne dostupnej vody z vodovodu a morskej vody a 6,2 percenta vo veľkom fotokatalytickom systéme na separáciu vody s kapacitou prirodzeného slnečného svetla 25 7W. Tento výskum poskytuje praktický prístup k efektívnej výrobe vodíkového paliva z prirodzeného slnečného žiarenia a vody, čím sa prekonáva prekážka účinnosti solárnej výroby vodíka.