211service.com
Solcelledrevet brintgenerering
Forskere i Schweiz har demonstreret mere effektive vandspalende solceller baseret på et billigt, rigeligt og langtidsholdbart materiale: rust. Fremskridtet kan føre til en billig og energieffektiv måde at generere brint til brændselscellekøretøjer ved hjælp af solenergi.
Vandopsplittende solpaneler ville have vigtige fordele i forhold til eksisterende teknologier med hensyn til brintproduktion. Lige nu er den primære måde at fremstille brint på at adskille det fra naturgas, en proces, der genererer kuldioxid og underbyder hovedmotivationen for at flytte til brintbrændselscellekøretøjer: at stoppe afhængigheden af fossile brændstoffer. Det nuværende alternativ er elektrolyse, som bruger elektricitet til at bryde vand til brint og ilt, hvor de to gasser dannes ved modsatte elektroder. Selvom elektrolyse er dyrt, kan det være renere, hvis kilden til elektriciteten er vind, sol eller en anden kulfri kilde.
Men hvis kilden til elektriciteten er solen, ville det være meget mere effektivt at bruge solenergi til at producere brint ved en fotokemisk proces inde i selve cellen. Ved at forbedre effektiviteten af sådanne solpaneler, Michael Grätzel , kemiprofessor ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, og hans kolleger har taget et vigtigt skridt hen imod dette mål.
Forskerne har vist, at de ved at inkludere små mængder silicium og kobolt kan dyrke nanostrukturerede tynde film af jernoxid, der omdanner sollys til de elektroner, der er nødvendige for at danne brint fra vand. Og jernoxidfilmene gør dette mere effektivt end nogensinde før med dette materiale.
Jernoxid har længe været et tiltalende materiale til sådanne solpaneler, blandt andet fordi det holder sig godt i kontakt med vand. Men selvom det kan absorbere sollys, kunne de resulterende ladningsbærere ikke let undslippe materialet, så de rekombinerede, og udlignede hinanden, før de kunne spalte noget vand. Ved at dope rusten med silicium lokkede forskerne materialet til at danne blomkålslignende strukturer med ekstremt stort overfladeareal, hvilket sikrede, at en stor del af atomerne i materialet var i kontakt med vandet, eller meget tæt på det. På den måde kunne huller let slippe ud i vandet, hvor de ansporer til generering af iltgas. Siliciumet forbedrer også elektronledningsevnen i materialet, hvilket er vigtigt for at generere brintgas ved en modsat elektrode. Forskerne forbedrede processen yderligere ved at tilføje kobolt, som fungerer som en katalysator for reaktionerne.
Grätzels nye jernoxidfilm kan omdanne imponerende og ifølge forskerne hidtil usete 42 procent af ultraviolette fotoner i sollys til elektroner og huller. Men systemets samlede effektivitet er kun omkring 4 procent, delvist fordi jernoxid ikke absorberer alle dele af solspektret.
Hovedresultatet af Grätzels nye forskning, som vises i det aktuelle nummer af Journal of the American Chemical Society , er, at den undersøger interaktionerne på arbejde i systemet meget detaljeret, siger Brian Holcroft, administrerende direktør for Hydrogen Solar , en virksomhed baseret i Guildford, Storbritannien, der udvikler måder at masseproducere paneler inspireret af Grätzels materialer. Resultaterne tyder på flere strategier, der kan hjælpe det jernoxid-baserede panel med at nå det 10 procent effektivitetsniveau, der ville gøre teknologien konkurrencedygtig med de nuværende måder at skabe brint på, siger Holcroft. (Jernoxid kunne teoretisk set være så meget som 20 procent effektiv.) Disse omfatter justering af mængden og arrangementet af silicium og kobolt og forbedring af filmens struktur.
Hvis dette effektivitetsniveau kan opfyldes, kan brintgenererende solenergi afbøde nogle af de udfordringer, der truer med at gøre brintbrændselscellekøretøjer upraktiske, siger George Sverdrup, brintteknologichef hos Nationalt laboratorium for vedvarende energi (NREL), i Golden, CO. For eksempel, hvis forbrugere og virksomheder brugte disse paneler til at fremstille brint i stedet for at få brint fra et stort anlæg, ville det skære ned på omkostningerne ved at sende brint, hvilket gør brint mere overkommeligt. Sol-til-brint-paneler ville være mere effektive end små elektrolysemaskiner, og de ville sikre, at brinten kommer fra en vedvarende kilde.
Men der er stadig udfordringer. Forskere ved Hydrogen Solar leder for eksempel efter en erstatning for det dyre platin, der nu bruges i en af cellens elektroder, hvilket vil være vigtigt for at holde omkostningerne nede, især da efterspørgslen efter platin stiger i denne og andre applikationer, såsom brændstof celler. I mellemtiden siger Sverdrup, at andre forskere, inklusive dem på NREL, arbejder med materialer, der er meget mere effektive end jernoxid, men som indtil videre kun har holdt i timer. Hvis forskerne kan få dem til at holde længere, kan materialerne udfordre jernoxid.