Коммерциализация технологии производства экологически чистого солнечного водорода близка к реализации благодаря разработке нового защитного материала, который значительно увеличивает срок службы фотоэлектродов — ключевого компонента технологии.
Профессор Джунгки Рю из Школы энергетики и химической инженерии UNIST в сотрудничестве с профессором Дэвидом Тилли из Цюрихского университета (UZH) в Швейцарии создали защитный слой, который существенно повышает долговечность фотоэлектродов на основе оксидов металлов, используемых при производстве солнечного водорода.
Фотоэлектрическое производство водорода использует солнечный свет для получения водорода посредством электрохимического разложения воды. Этот процесс основан на фотоэлектроде, который поглощает солнечную энергию для запуска реакций, которые разделяют молекулы воды на водород и кислород. В частности, когда солнечный свет освещает фотоэлектрод, он запускает электрохимические реакции, которые способствуют разделению воды на ее составные элементы, в конечном итоге производя водород.
Однако серьезной проблемой этой технологии является коррозия фотоэлектродов во время окисления воды, что подчеркивает критическую необходимость в эффективных защитных материалах до коммерциализации. Хотя фотоэлектроды на основе оксидов металлов являются экономически эффективными, прогресс в их разработке отстает из-за отсутствия подходящих защитных слоев.
Исследовательская группа решила эту проблему, включив полиэтилениминовый полимер (ПЭИ) в диоксид титана (TiO 2 ), традиционно используемый для защиты дорогостоящих полупроводниковых фотоэлектродов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Этот инновационный защитный слой эффективно блокирует электроны — отрицательно заряженные частицы, образующиеся при поглощении света, — и в то же время выборочно позволяет дыркам — положительно заряженным частицам — способствовать реакциям окисления воды, тем самым повышая производительность фотоанодов и предотвращая коррозию.
При применении к фотоанодам BiVO 4 новый защитный слой обеспечивал стабильные реакции разложения воды в течение более 400 часов при высокой плотности тока 2,03 мА/см². Это представляет собой значительное улучшение стабильности по сравнению с ухудшением производительности, наблюдаемым в фотоэлектродах без защитных слоев, которые обычно выходят из строя в течение пяти часов. Плотность тока служит индикатором эффективности фотоэлектрода.
Кроме того, этот усовершенствованный защитный слой универсален и может использоваться с различными фотоэлектродами на основе оксидов металлов, включая оксид железа (Fe2O3).
Профессор Рю прокомментировал: «Это исследование представляет собой значительный прорыв в разработке недорогой и высокостабильной технологии разложения солнечной воды. Ожидается, что оно будет способствовать прогрессу в других фотоэлектрохимических элементах, которые производят ценные ресурсы из солнечной энергии».