Проблема с производством солнечного топлива заключается в стоимости производства поглощающих солнце полупроводников и катализаторов для производства топлива. Самые эффективные материалы слишком дороги для производства топлива по цене, которая может конкурировать с бензином.
«Чтобы создать коммерчески жизнеспособные устройства для производства солнечного топлива, необходимо значительно снизить затраты на материалы и обработку при одновременном достижении высокой эффективности преобразования солнечной энергии в топливо», — говорит Кён-Шин Чой, профессор химии из Университета Висконсина. -Мэдисон.В исследовании, опубликованном на прошлой неделе в журнале Science, Чой и доктор наук Тэ У Ким объединили дешевые оксидные материалы для разделения воды на водород и кислород с использованием солнечной энергии с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород 1,7 процента. самый высокий из всех фотоэлектродных систем на основе оксидов.Чой создал солнечные элементы из ванадата висмута, используя электроосаждение — тот же процесс, который используется для изготовления позолоченных ювелирных изделий или поверхностного покрытия автомобильных кузовов — чтобы увеличить площадь поверхности соединения до замечательных 32 квадратных метров на каждый грамм.
«Без сложного оборудования, высокой температуры или высокого давления мы создали нанопористый полупроводник из очень крошечных частиц с большой площадью поверхности», — говорит Чой, работа которого поддерживается Национальным научным фондом. «Большая площадь поверхности означает большую площадь контакта с водой и, следовательно, более эффективное разделение воды».Ванадату висмута нужна рука для ускорения реакции, в результате которой образуется топливо, и именно здесь на помощь приходят парные катализаторы.
В то время как существует множество исследовательских групп, работающих над разработкой фотоэлектрических полупроводников, и многие из них работают над разработкой катализаторов расщепления воды, по словам Чоя, переходу полупроводник-катализатор уделяется относительно мало внимания.«Проблема в том, что, в конце концов, вы должны соединить их вместе», — говорит она. «Даже если у вас лучший полупроводник в мире и лучший катализатор в мире, их общая эффективность может быть ограничена интерфейсом полупроводник-катализатор».Чой и Ким использовали пару дешевых и несколько несовершенных катализаторов — оксид железа и оксид никеля — добавив их в ванадат висмута, чтобы воспользоваться их относительной силой.«Поскольку ни один катализатор не может обеспечить хороший интерфейс как с полупроводником, так и с водой, которая является нашим реагентом, мы решили разделить эту работу на две части», — говорит Чой. «Оксид железа обеспечивает хорошее соединение с ванадатом висмута, а оксид никеля обеспечивает хорошую каталитическую поверхность раздела с водой.
Поэтому мы используем их вместе».Конструкция двухслойного катализатора позволила одновременно оптимизировать переход полупроводник-катализатор и переход катализатор-вода.
«Сочетание этой пары дешевых катализаторов с нашим нанопористым полупроводниковым электродом с большой площадью поверхности привело к созданию недорогой полностью оксидной фотоэлектродной системы с рекордно высокой эффективностью», — говорит Чой.Она ожидает, что основная работа, проделанная для доказательства повышения эффективности за счет нанопористого электрода из ванадата висмута и двойных слоев катализатора, обеспечит лаборатории по всему миру пищей для рывков.
«Другие исследователи, изучающие разные типы полупроводников или разные типы катализаторов, могут начать использовать этот подход, чтобы определить, какие комбинации материалов могут быть еще более эффективными», — говорит Чой, чья лаборатория уже настраивает их конструкцию. «Что-то вроде инженерного дела, эффективность, которую мы достигли, может быть очень быстро улучшена».