Исследователи описали свои результаты в двух исследованиях, опубликованных в этом месяце в журналах Science Advances и Nature Communications.Водородное топливоВодородное топливо давно рекламируется как чистая альтернатива бензину. В прошлом году автопроизводители начали предлагать американским потребителям автомобили с водородным двигателем, но их продала лишь небольшая часть, в основном потому, что заправочных станций водородом мало.
«Миллионы автомобилей могли бы работать на чистом водородном топливе, если бы оно было дешевым и широко доступным», — сказал И Цуй, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Стэнфорде.В отличие от автомобилей с бензиновым двигателем, которые выделяют углекислый газ (CO2), сами автомобили на водороде не имеют выбросов. Однако производство водородного топлива связано с выбросами: сегодня большая часть водородного топлива производится с использованием природного газа в процессе, который выделяет CO2 в атмосферу.
Чтобы решить эту проблему, Цуй и его коллеги сосредоточились на фотоэлектрическом расщеплении воды. Эта новая технология состоит из погруженного в воду электрода на солнечной энергии.
Когда солнечный свет попадает на электрод, он генерирует электрический ток, который расщепляет воду на составные части, водород и кислород.Найти доступный способ производства чистого водорода из воды было непростой задачей.
Обычные солнечные электроды из кремния быстро корродируют под воздействием кислорода, основного побочного продукта расщепления воды. Несколько исследовательских групп уменьшили коррозию, покрывая кремний иридием и другими драгоценными металлами.В статье для журнала Science Advances от 17 июня Цуй и его коллеги представили новый подход с использованием ванадата висмута, недорогого соединения, которое поглощает солнечный свет и генерирует небольшое количество электричества.«Ванадат висмута широко рассматривается как многообещающий материал для фотоэлектрохимического расщепления воды, отчасти из-за его низкой стоимости и высокой устойчивости к коррозии», — сказал Цуй, доцент кафедры фотоники в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Однако характеристики этого материала остаются значительно ниже его теоретической эффективности преобразования солнечной энергии в водород».
Ванадат висмута поглощает свет, но плохо проводит электричество. Чтобы проводить ток, солнечный элемент, сделанный из ванадата висмута, должен быть очень тонким, 200 нанометров или меньше, что делает его практически прозрачным.
В результате видимый свет, который можно использовать для выработки электричества, просто проходит через элемент.Чтобы уловить солнечный свет до того, как он ускользнет, команда Куи обратилась к нанотехнологиям. Исследователи создали микроскопические массивы, содержащие тысячи кремниевых наноконусов, каждый высотой около 600 нанометров.«Структуры наноконуса показали многообещающую способность улавливать свет в широком диапазоне длин волн», — пояснил Цуй. «Каждый конус имеет оптимальную форму, чтобы улавливать солнечный свет, который в противном случае проходил бы через тонкий солнечный элемент».
В эксперименте Куй и его коллеги нанесли массивы наноконусов на тонкую пленку ванадата висмута. Затем оба слоя были помещены на солнечный элемент из перовскита, другого многообещающего фотоэлектрического материала.
При погружении трехслойное тандемное устройство сразу же начало расщеплять воду с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород 6,2 процента, что уже соответствует теоретической максимальной скорости для элемента с ванадатом висмута.«Тандемный солнечный элемент продолжал вырабатывать водород более 10 часов, что свидетельствует о хорошей стабильности», — сказал Куи, главный исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетики. «Несмотря на то, что эффективность, которую мы продемонстрировали, составила всего 6,2 процента, нашему тандемному устройству еще предстоит значительно улучшить».Перезаряжаемый цинковый аккумулятор
Во втором исследовании, опубликованном в выпуске Nature Communications от 6 июня, Цуй и Сёго Хигаси, приглашенный ученый из Toyota Central RD Labs Inc., предложили новую конструкцию батареи, которая может помочь решить проблему хранения энергии в масштабе сети.«Солнечные и ветряные фермы должны иметь возможность круглосуточно обеспечивать электроэнергией электросети, даже когда нет ни солнечного света, ни ветра», — сказал Цуй. «Для этого потребуются недорогие батареи и другие недорогие технологии, достаточно большие, чтобы хранить излишки чистой энергии для использования по запросу».В своем исследовании Куи, Хигаши и их коллеги разработали новую батарею с электродами из цинка и никеля, недорогих металлов с возможностью хранения в масштабе сети.В продаже имеется множество цинк-металлических батарей, но лишь немногие из них являются перезаряжаемыми из-за крошечных волокон, называемых дендритами, которые образуются на цинковом электроде во время зарядки.
Эти дендриты могут расти, пока наконец не достигнут никелевого электрода, вызывая короткое замыкание и выход батареи из строя.Исследовательская группа решила проблему дендритов, просто изменив конструкцию батареи. Вместо того, чтобы располагать цинковый и никелевый электроды лицом друг к другу, как в обычной батарее, исследователи разделили их пластиковым изолятором и обернули углеродным изолятором по краям цинкового электрода.«Благодаря нашей конструкции ионы цинка уменьшаются и откладываются на открытой задней поверхности цинкового электрода во время зарядки», — сказал Хигаши, ведущий автор исследования. «Следовательно, даже если образуются дендриты цинка, они будут расти далеко от никелевого электрода и не приведут к короткому замыканию батареи».
Чтобы продемонстрировать стабильность, исследователи успешно заряжали и разряжали аккумулятор более 800 раз без замыкания.«Наша конструкция очень проста и может быть применена к широкому спектру металлических батарей», — сказал Цуй.