پیشرفت در فتولیز خورشیدی آب برای تولید هیدروژن

معرفی استراتژی‌های "اوج کربن" و "کربن خنثی" منجر به کاهش انتشار کربن شده است و هیدروژن یک گزینه جذاب به عنوان سوخت پاک است. از سوی دیگر، هیدروژن برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی مانند تولید کودها نیز مورد نیاز است. با این حال، هیدروژن در حال حاضر عمدتاً از طریق تبدیل آب و گاز به دست می آید، فرآیندی که نه تنها انتشار کربن زیادی ایجاد می کند، بلکه مقادیر زیادی انرژی حرارتی را نیز مصرف می کند.

فتوسنتز طبیعی (گیاهانی که از نور خورشید برای بدست آوردن اتم های هیدروژن از آب استفاده می کنند) به خوبی شناخته شده است، اما آیا تکنیک «فتوسنتز مصنوعی» برای به دست آوردن هیدروژن وجود دارد؟ تولید هیدروژن فوتوکاتالیستی بر اساس هیدرولیز کل یک فناوری سازگار با محیط زیست و پایدار است که فقط نور خورشید و آب را مصرف می کند و هیچ گونه انتشار کربنی تولید نمی کند، به همین دلیل است که در حال حاضر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال، راندمان کم تبدیل خورشیدی به هیدروژن (STH) THM های فوتوکاتالیستی فعلی، کاربرد عملی آنها را محدود می کند.

با در نظر گرفتن این موضوع، تیم پروفسور یونزاوا در دانشگاه میشیگان، با استفاده از آب خالص، نور غلیظ خورشید و فوتوکاتالیست نیترید گالیوم ایندیم، که مراحل کلیدی فتوسنتز طبیعی را تقلید می کند، استراتژی را برای دستیابی به راندمان STH تا 9.2 درصد ایجاد کرده است. آزمایشات در فضای باز نشان می دهد که این یک جهش بزرگ به جلو برای این فناوری است و تقریباً 10 برابر کارآمدتر از آزمایش های مشابه تقسیم آب خورشیدی است. به طور خاص، محققان نشان داده‌اند که تجزیه کل آب فوتوکاتالیستی روی سطوح InGaN/GaN نه تنها واکنش تجزیه آب رو به جلو را ارتقا می‌دهد، بلکه از واکنش کمپلکس معکوس هیدروژن-اکسیژن از طریق اثر حرارتی مادون قرمز تولید شده توسط نور خورشید متمرکز شده با شدت بالا، جلوگیری می‌کند. نانوسیم‌های InGaN راندمان تجزیه کل آب فوتوکاتالیستی بسیار بالایی را نشان می‌دهند. نتایج تحقیق در آخرین شماره مجله نیچر با عنوان «بازده خورشیدی به هیدروژن بیش از 9 درصد در تقسیم آب فوتوکاتالیستی» منتشر شد.

محققان با استفاده از آب خالص، نور غلیظ خورشید و فوتوکاتالیست نیترید گالیوم ایندیوم، به راندمان بالای STH 9.2 درصدی دست یافتند. موفقیت استراتژی در این مقاله ناشی از اثر هم افزایی ارتقای تکامل هیدروژن-اکسیژن و مهار بازترکیب معکوس هیدروژن-اکسیژن است که می تواند با کارکرد در دمای واکنش بهینه (~70 درجه سانتیگراد)، مستقیماً با برداشت قبلی به دست آید. هدر رفتن نور مادون قرمز از نور خورشید علاوه بر این، این استراتژی وابسته به دما همچنین منجر به راندمان STH ~ 7 درصد از آب لوله کشی و آب دریا و 6.2 درصد در یک سیستم بزرگ جداسازی آب فوتوکاتالیستی با ظرفیت نور خورشیدی طبیعی 25 7W شد. این تحقیق یک رویکرد عملی برای تولید کارآمد سوخت هیدروژن از نور طبیعی خورشید و آب، غلبه بر گلوگاه بازده تولید هیدروژن خورشیدی ارائه می‌کند.