Wodór ze słońca: nowa elektroda działa przy 4 V zamiast 200 V
Koreańscy naukowcy opracowali fotoelektrodę, która wytwarza wodór z wody za pomocą światła słonecznego, a do jej produkcji nie potrzeba ani wysokiego napięcia, ani toksycznych rozpuszczalników. Napięcie w procesie nanoszenia materiału udało się obniżyć z 200 do 4 V, czyli do poziomu zbliżonego do zwykłej baterii.
Problem z dotychczasowymi elektrodami
Do produkcji wodoru ze światła słonecznego najczęściej stosuje się dwutlenek tytanu (TiO₂). Materiał jest bardzo stabilny, ale ma wadę: pochłania wyłącznie promieniowanie ultrafioletowe, przez co wykorzystuje tylko niewielką część widma słonecznego. Dlatego badacze łączą go z nanomateriałami na bazie srebra i bizmutu, które absorbują szerszy zakres światła.
Kłopot polegał na sposobie nanoszenia tych materiałów na elektrodę. Dotychczasowe metody wymagały napięcia co najmniej 200 V oraz toksycznych rozpuszczalników organicznych, co trudno pogodzić z ideą ekologicznego wodoru.
Na czym polega nowa metoda
Zespół z DGIST pod kierunkiem prof. Jongmina Choi, we współpracy z grupą prof. Younghoona Kima z Kookmin University, zmienił powierzchnię nanokryształów. Zastąpił znajdujące się na niej cząsteczki takimi, które dobrze mieszają się z wodą. Dzięki temu można było zastosować wodną elektroforetyczną depozycję: w roztworze wodnym przykłada się niskie napięcie, a cząstki osadzają się na elektrodzie.
Powłoka powstaje w trzy minuty. Przy niskim napięciu nie dochodzi też do uszkodzeń powierzchni i powstawania zanieczyszczeń (produktów utleniania), które pojawiały się w metodzie wysokonapięciowej.
Wyniki testów
- fotoprąd około dziesięciokrotnie wyższy lub większy niż w klasycznych elektrodach z jednego materiału,
- gęstość fotoprądu 3,0 mA/cm² w warunkach zbliżonych do naturalnego światła słonecznego,
- zachowanie 65,1% początkowej wydajności po dwóch godzinach ciągłego oświetlania,
- potwierdzona analizą gazu produkcja wodoru.
Elektroda nie zawiera takich szkodliwych substancji jak ołów czy kadm. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Small”. Jak podkreśla prof. Choi: „Znaczenie badań polega na uzyskaniu wysokiej wydajności produkcji wodoru dzięki bezpiecznemu, czystemu procesowi wodnemu przy niskim napięciu”.
Co to oznacza w praktyce
Na razie to wynik laboratoryjny i do przemysłowej produkcji wodoru jest jeszcze daleko. Spadek wydajności do nieco ponad 65% po zaledwie dwóch godzinach pokazuje, że trwałość elektrody wciąż wymaga poprawy, zanim technologia będzie mogła trafić na większą skalę.
Dla polskiego czytelnika to przede wszystkim sygnał, w jakim kierunku rozwijają się metody wytwarzania zielonego wodoru. Wodór jest ważnym elementem unijnej polityki dekarbonizacji, a tak zwany zielony wodór, produkowany z odnawialnych źródeł energii, ma w przyszłości wspierać m.in. przemysł i transport. Rozwiązania, które upraszczają produkcję elektrod i ograniczają użycie toksycznych substancji, mogą w dłuższej perspektywie obniżać koszty i ułatwiać spełnianie wymogów środowiskowych. Na codzienne rachunki czy instalacje domowe nie wpłyną jednak w najbliższych latach.
Źródło: Tech Xplore – „New electrode-making method offers cleaner route to sunlight-powered hydrogen production”
