دستگاه جدید هیدروژن خورشیدی: تبدیل نور خورشید به انرژی پاک

محققان دانشگاه رایس موفق شدند دستگاه هیدروژن خورشیدی جدید بادوام، کارآمد و ارزان قیمت بسازند.

طبق گزارش های فن تک و به نقل از ساینس دیلی؛ دستگاه جدید تیم تحقیقاتی از طریق ترکیب نسل بعدی نیمه هادی های هالید پروسکایت با الکتروکاتالیست ها توانست، نور خورشید را با بهره وری بالاتر به هیدروژن تبدیل کند. فناوری جدید می تواند یک گام ما را به تولید انرژی پاک نزدیکتر کند و علاوه بر آن، می تواند بستری برای تولید برق به جای استفاده از سوخت های فسیلی فراهم کند.

طراحی فوتو رآکتور پیشرفته

آزمایشگاه Aditya Mohite، پیشرو در ساخت فوتورآکتورهای یکپارچه است. آنها در طراحی این دستگاه از یک ماده ضد خوردگی استفاده کردند تا بتوانند از این طریق نیمه هادی را بدون اینکه مانع از انتقال الکترون شوند در برابر فرسایش آب محافظت کنند. نتایج این مطالعه به تازگی در مجله Nature Communications منتشر شده است. این دستگاه با میزان بهره وری 20.8 درصد می تواند انرژی خورشیدی را به هیدروژن تبدیل کند.

آستین فهر، دانشجوی دکترای مهندسی شیمی- بیومولکولی و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه در مورد این دستگاه گفت:" استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای ساخت مواد شیمیایی، یکی از بزرگترین موانع اقتصاد پایدار است. هدف ما ساختن پلتفرم های ارزان قیمتی بود که بتواند سوخت خورشیدی تولید کند. بنابراین، سیستمی طراحی کردیم که می تواند نور را جذب کند و فرآیند الکتروشیمیایی تقسیم آب را کامل کند."

غلبه بر چالش ها با سلول های فوتوالکتروشیمیایی

این دستگاه به سلول فوتوالکتروشیمیایی معروف است. علت آن، جذب نور و تبدیل آن به جریان الکتریسیته ای است که برای تامین انرژی مورد نیاز یک واکنش شیمیایی به کار گرفته می شود. تا امروز، استفاده از فناوری فوتوالکتروشیمیایی به علت راندمان کم و هزینه بالای نیمه هادی ها از لحاظ اقتصادی به صرفه نبود.
فهر در مورد تفاوت این اختراع با نمونه های قبلی گفت:"همه دستگاه ها فوتوالکتروشیمیایی با استفاده از نور خورشید و آب، هیدروژن سبز تولید می کنند. اما دستگاه ما راندمان بالایی دارد و از نیمه هادی های ارزان قیمت تری استفاده می کند.

چشم اندازهای آینده

آزمایشگاه Mohite و تیم تحقیقاتی این دستگاه را به یک راکتوری تبدیل کردند که می تواند از انرژی تولید شده برای تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده کند. چالشی که در این مسیر وجود داشت این بود که پروسکایت‌های هالید در آب بسیار ناپایدار هستند و پوشش‌هایی که معمولا برای عایق‌سازی نیمه‌رساناها استفاده می شوند یا عملکرد آنها را مختل می‌کرد یا باعث آسیب رساندن به آنها می شد.

مایکل وونگ، مهندس شیمی دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «در دو سال گذشته، ما مواد و تکنیک‌های مختلف را امتحان کرده‌ایم. راه حل های مختلفی را مورد آزمایش قرار دادیم ولی هیچکدام از آن ها نتیجه ای که منتظرش بودیم را به ما نداد. تا اینکه بلاخره موفق شدیم راه حلی برای آن پیدا کنیم.

Fehr گفت: "فکر ما این بود که برای این عملیات نیاز به دو لایه برای محافظت از نیمه هادی نیاز داریم. یکی برای محافظت در برابر آب و دیگری برای برقراری تماس الکتریکی خوب بین لایه‌های پروسکایت و لایه محافظ. روش ما بالاترین راندمان را برای سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی که از نیمه‌رساناهای هالید پروسکایت استفاده می کنند، ارائه کرد."
محققان نشان دادند که این دستگاه قادر است با واکنش ها و نیمه هادی های مختلف کار می کند.

Fehr در ادامه افزود: "با بهبودهای بیشتر در پایداری و راندمان، این فناوری می تواند مسیر اقتصاد پایدار را باز کند و روش مصرف انرژی انسان ها را از سوخت فسیلی به سوخت خورشیدی تغییر دهد." بودجه لازم ساخت این دستگاه را وزارت انرژی ایالات متحده، شرکت SARIN Energy و مرکز تجهیزات مشترک رایس تامین کردند.