علمی، پژوهشی و فناوری

ترفندی که تولید هیدروژن سبز از شکستن مولکول آب را ساده‌تر می‌کند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : پروفسور جونگکی ریو از دانشکده انرژی و مهندسی شیمی در UNIST، با همکاری پروفسور دیوید تیلی از دانشگاه زوریخ (UZH) در سوئیس، یک لایه محافظ ایجاد کرده است که به طور قابل توجهی دوام فتوالکترودهای مبتنی بر اکسید فلزی مورد استفاده در تولید هیدروژن با نور خورشید را بهبود می‌بخشد.

استفاده از لایه‌های محافظ رسانا و مقاوم در برابر خوردگی راهبردی کلیدی برای بهبود دوام مواد جاذب نور در تقسیم آب به روش فتوالکتروشیمیایی است. در فتوآندهای با کارایی بالا مانند Si، GaAs و GaP، لایه‌های محافظ TiO۲ آمورف که توسط لایه‌نشانی اتمی رسوب می‌کنند، از طریق حفره‌ها رسانایی ایجاد می‌کنند که دلیل این رسانایی وجود نقص ساختاری در TiO۲ است. با این حال، زمانی که روی آندهای نوری ارزان و ساده مانند اکسیدهای فلزی پوشش داده شوند، هیچ انتقال باری از طریق TiO۲ آمورف مشاهده نمی‌شود.

یک لایه نازک پلی‌اتیلن ایمین بین جاذب نور و پلی‌اتیلن هیبریدی/TiO۲ به عنوان رابط انتخابی حفره عمل می‌کند و خواص اپتوالکترونیکی دستگاه‌های فتوآند را بهبود می‌بخشد. این فتوآندهای اصلاح شده با پلی‌اتیلن ایمین/TiO۲، پایداری بالایی برای اکسیداسیون آب در طول ۴۰۰ ساعت از خود نشان می‌دهند.

تولید هیدروژن فتوولتائیک نور خورشید را برای تولید هیدروژن از طریق تجزیه الکتروشیمیایی آب مهار می‌کند. این فرآیند متکی بر فتوالکترود است که انرژی خورشیدی را جذب می‌کند تا واکنش‌هایی را انجام دهد که مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کند. به طور خاص، هنگامی که نور خورشید فتوالکترود را روشن می‌کند، واکنش‌های الکتروشیمیایی را ایجاد می‌کند که جداسازی آب را به عناصر تشکیل دهنده آن، تسهیل و در نهایت گاز هیدروژن تولید می‌کند.

با این حال، یک چالش بزرگ با این فناوری، خوردگی فتوالکترودها در طول اکسیداسیون آب است که نیاز حیاتی به مواد محافظ مؤثر قبل از تجاری‌سازی را ضروری می‌کند. در حالی که فتوالکترودهای مبتنی بر اکسید فلز مقرون به صرفه هستند، پیشرفت در توسعه آنها به دلیل نبود لایه‌های محافظ مناسب با تاخیر مواجه شد.

این تیم تحقیقاتی این چالش را با ترکیب پلیمر پلی اتیلن ایمین (PEI) در دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) که به طور سنتی برای محافظت از فتوالکترودهای نیمه‌هادی پرهزینه استفاده می‌شود، برطرف کرده است. این لایه محافظ نوآورانه به طور مؤثر ذرات باردار منفی الکترون تولید شده توسط جذب نور را مسدود می‌کند، در حالی که به طور انتخابی به ذرات دارای بار مثبت اجازه می‌دهد تا واکنش‌های اکسیداسیون آب را تسهیل کنند، بنابراین عملکرد فتوآندها را افزایش داده و از خوردگی جلوگیری می‌کنند.