Gennembrud i solfotolyse af vand til brintproduktion

Indførelsen af ​​"carbon peaking" og "carbon neutral"-strategier har ført til en reduktion i kulstofemissioner, hvor brint er en attraktiv mulighed som et rent brændstof. På den anden side er der også brug for brint til mange kemiske processer, såsom produktion af gødning. Imidlertid opnås brint i øjeblikket hovedsageligt gennem omdannelse af vand og gas, en proces, der ikke kun genererer store kulstofemissioner, men også forbruger store mængder termisk energi.

Naturlig fotosyntese (planter, der bruger sollys til at få brintatomer fra vand) er velkendt, men er der en "kunstig fotosyntese"-teknik til at opnå brint? Fotokatalytisk brintproduktion baseret på total hydrolyse er en miljøvenlig og bæredygtig teknologi, der kun forbruger sollys og vand og ikke producerer nogen kulstofemissioner, hvorfor den i øjeblikket tiltrækker sig stor opmærksomhed. Imidlertid begrænser den lave omdannelseseffektivitet fra sol til brint (STH) af nuværende fotokatalytiske THM'er deres praktiske anvendelse.

Med dette i tankerne har professor Yonezawas team ved University of Michigan udviklet en strategi for at opnå STH-effektiviteter på op til 9,2 procent ved hjælp af rent vand, koncentreret sollys og en indium galliumnitrid fotokatalysator, som efterligner de vigtigste trin i naturlig fotosyntese. Udendørs eksperimenter viser, at det repræsenterer et stort spring fremad for teknologien, idet den er næsten 10 gange mere effektiv end sammenlignelige eksperimenter med solvandsspaltning. Specifikt har forskerne demonstreret, at den fotokatalytiske totale vandnedbrydning på InGaN/GaN-overflader ikke kun fremmer den fremadgående vandnedbrydningsreaktion, men også hæmmer den omvendte hydrogen-oxygen-kompleksdannelsesreaktion gennem den infrarøde termiske effekt, der genereres af højintensitetsfokuseret sollys, hvilket muliggør InGaN nanotråde til at udvise ekstrem høj fotokatalytisk total vandnedbrydningseffektivitet. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i det seneste nummer af Nature under titlen "Sol-til-brint effektivitet på mere end 9 procent i fotokatalytisk vandspaltning".

Forskerne opnåede en høj STH-effektivitet på 9,2 procent ved hjælp af rent vand, koncentreret sollys og en indium-galliumnitrid-fotokatalysator. Succesen med strategien i dette papir stammer fra den synergistiske effekt af at fremme brint-ilt-udvikling og hæmme omvendt hydrogen-ilt-rekombination, som kan opnås ved at operere ved den optimale reaktionstemperatur (~70 grader Celsius), direkte ved at høste tidligere spildt infrarødt lys fra sollys. Desuden resulterede denne temperaturafhængige strategi også i STH-effektiviteter på ~7 procent fra almindeligt tilgængeligt postevand og havvand og 6,2 procent i et stort fotokatalytisk vandseparationssystem med en naturlig sollyskapacitet på 25 7W. Denne forskning giver en praktisk tilgang til effektiv produktion af brintbrændstof fra naturligt sollys og vand, og overvinder effektivitetsflaskehalsen ved solbrintproduktion.