Устройство, которое может собирать воду из воздуха и получать водородное топливо, питаясь исключительно от солнечной энергией, было мечтой ученых. борящихся за зеленое будущее. И вот одной группе удалось сделать первый значительный шаг к тому, чтобы такое устройство стало реальностью. Они разработали гениальную, но простую систему, сочетающую полупроводниковую технологию с новыми электродами, обладающими двумя ключевыми характеристиками: они пористые, чтобы максимизировать контакт с водой в воздухе, и прозрачные, чтобы улучшает поглощение солнечного света покрытием. Когда устройство просто подвергается воздействию солнечного света, оно берет воду из воздуха и производит газообразный водород. Результаты работы были опубликованы в рецензируемом журнале Advanced Materials.
В своих исследованиях возобновляемого топлива, не содержащего ископаемого топлива, инженеры EPFL в сотрудничестве с Toyota Motor Europe черпали вдохновение в том, как растения могут преобразовывать солнечный свет в химическую энергию, используя углекислый газ из воздуха. Растение, по сути, собирает углекислый газ и воду из окружающей среды и, получая дополнительную энергию от солнечного света, может преобразовывать эти молекулы в сахара и крахмалы в процессе, известном как фотосинтез. Энергия солнечного света хранится в виде химических связей внутри сахаров и крахмалов.
Прозрачные газодиффузионные электроды, разработанные командой исследователей, при покрытии светособирающим полупроводниковым материалом действительно действуют как искусственный лист, собирая воду из воздуха и солнечного света для производства газообразного водорода. Энергия солнечного света хранится в виде водородных связей. Вместо создания электродов с традиционными слоями, непрозрачными для солнечного света, их подложка фактически представляет собой трехмерную сетку из стеклянных волокон.
Чтобы сделать прозрачные газодиффузионные электроды, исследователи начинают с типа стекловаты, которая по существу представляет собой волокна кварца (также известного как оксид кремния), и перерабатывают ее в войлочные пластины, сплавляя волокна вместе при высокой температуре. Затем пластина покрывается прозрачной тонкой пленкой легированного фтором оксида олова, известного своей превосходной проводимостью, надежностью и простотой масштабирования. Эти первые шаги приводят к прозрачной, пористой и проводящей пластине, необходимой для максимального контакта с молекулами воды в воздухе и пропускания фотонов. Затем пластина снова покрывается, на этот раз тонкой пленкой полупроводниковых материалов, поглощающих солнечный свет. Это второе тонкое покрытие все еще пропускает свет, но кажется непрозрачным из-за большой площади поверхности пористой подложки. Как таковая, эта пластина с покрытием уже может производить водородное топливо под воздействием солнечного света.
Затем ученые построили небольшую камеру, содержащую пластину с покрытием, а также мембрану для отделения образующегося газообразного водорода для измерения. Когда их камера подвергается воздействию солнечного света во влажных условиях, выделяется газообразный водород, достигая того, что намеревались сделать ученые, показывая, что концепция прозрачного газодиффузионного электрода для производства газообразного водорода на солнечной энергии может быть реализована.
Хотя ученые формально не изучали эффективность преобразования солнечной энергии в водород в своей демонстрации, они признают, что она скромна для этого прототипа и в настоящее время меньше, чем может быть достигнута в ячейках PEC на жидкой основе. Основываясь на используемых материалах, максимальная теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии в водород пластины с покрытием составляет 12%, тогда как жидкие элементы продемонстрировали эффективность до 19%.
