Un dispozitiv solar organic stabilește un record mondial în producerea de hidrogen verde doar cu lumina soarelui

Adaugă-ne ca sursă preferată în Google

Urmărește-ne in Discover

Cercetătorii de la institutul UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) au dezvoltat un fotoelectrod organic de înaltă eficiență care descompune apa în hidrogen verde doar cu ajutorul luminii solare, fără nicio sursă externă de alimentare. Dispozitivul a înregistrat o eficiență de conversie a energiei solare în hidrogen de 7,9%, cea mai ridicată valoare raportată până în prezent pentru un fotocatod semiconductor organic fără polarizare, și a demonstrat capacitatea de funcționare în aer liber pe suprafețe extinse, precum și potențialul de reducere a costurilor de producție, conform InterestingEngineering.

În mod tradițional, producția de hidrogen s-a bazat pe gazul natural, proces care eliberează dioxid de carbon. În acest context, dispozitivele alimentate cu energie solară oferă o alternativă cu emisii zero. Cu toate acestea, astfel de dispozitive întâmpinau dificultăți în generarea unei tensiuni suficiente pe cont propriu și necesitau energie electrică din surse externe. „Descompunerea fotoelectrochimică (PEC – Photoelectrochemical) a apei oferă o cale directă către hidrogenul curat, dar fotocatozii bazați pe semiconductori organici au fost limitați de tensiunea fotoelectrică insuficientă și de instabilitatea interfețelor”, au afirmat cercetătorii în cadrul studiului. Echipa de cercetători de la institutul UNIST a rezolvat această problemă. Aceștia au proiectat un dispozitiv tandem care suprapune două straturi absorbante de lumină.

Testul de laborator

În cadrul testelor de laborator, celula a atins o eficiență de conversie a energiei solare în hidrogen de 7,9%. Aceasta reprezintă cea mai mare valoare înregistrată vreodată pentru un fotocatod cu semiconductor organic care funcționează fără tensiune electrică aplicată. Descompunerea apei necesită un prag electric minim de 1,23 volți. Materialele organice cu un singur strat nu pot atinge această țintă în mod fiabil. În trecut, suprapunerea a două straturi pentru creșterea tensiunii provoca o degradare rapidă. Conectorul standard, un material cunoscut sub numele de PEDOT:PSS, este extrem de acid și vulnerabil la apă, motiv pentru care deteriorează rapid componentele învecinate. Echipa UNIST a înlocuit această legătură corozivă cu un strat hibrid complet nou. Specialiștii au combinat oxidul de molibden cu o moleculă organică numită 2PACz. Oxidul de molibden nu este acid și nu absoarbe umiditatea. De asemenea, formează un scut protector care împiedică scurgerea solvenților lichizi în timpul procesului de acoperire. În același timp, moleculele de 2PACz elimină defectele microscopice și permit circulația liberă a sarcinilor electrice. „Fotocatozii tandem rezultați ating un potențial de pornire de 1,67 V și o eficiență solar-hidrogen (STH) de 7,9% în condiții de funcționare fără polarizare cu doi electrozi, ceea ce, din câte știm, reprezintă cea mai mare valoare raportată pentru fotocatozii pe bază de semiconductori organici care funcționează fără polarizare externă”, se adaugă în studiu.

Reducerea la minimum a utilizării metalelor prețioase

Tehnologia a depășit deja stadiul de laborator. Cercetătorii au asamblat un modul pentru exterior cu o suprafață de 320 de centimetri pătrați, care a produs hidrogen sub lumina naturală a soarelui. Pentru menținerea costurilor la un nivel redus, inginerii au limitat drastic utilizarea metalelor prețioase. Conținutul de platină a fost redus la doar 0,1% din greutate pe electrodul de hidrogen, iar sistemul a funcționat pe baza unui catalizator accesibil din nichel-fier-cobalt. Deoarece ambele părți funcționează în aceeași baie chimică, această configurație evită complet utilizarea membranelor scumpe de schimb ionic. Modelarea economică arată că, dacă dispozitivul atinge limita teoretică de eficiență de 16% la scară industrială, poate furniza hidrogen la un preț de 4,26 dolari pe kilogram. În același timp, cercetătorii de la Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore dezvoltă producția de combustibil solar într-o nouă direcție. Dispozitivul creat, inspirat de structura frunzelor, folosește lumina solară pentru a extrage hidrogen direct din apa de mare și neutralizează concomitent hidrazina, o substanță chimică industrială toxică. Împreună, aceste două descoperiri arată că procesele chimice bazate pe energie solară evoluează de la stadiul de concept la statutul de tehnologie industrială aplicată.