Naukowcy ze Stanford University opracowali tanie i wytrzymałe urządzenie do wytwarzania paliwa wodorowego. Konstrukcja wykorzystuje wiązkę światła, która rozkłada wodę na tlen i wodór. Celem badaczy było stworzenie dodatkowego źródła zasilania dla ogniw paliwowych napędzanych wodorem.
Nowy rozdzielacz wody na bazie krzemu jest tani i jednocześnie odporny na korozję. Nowatorskie półprzewodnikowe urządzenie zbudowane jest z krzemowych elektrod typu „n”, pokrytych warstwą niklu o grubości od 2 do 20 nanometrów. Naukowcy odpowiedzialni za aparat są zdania, że nowa technologia może pomóc w utorowaniu drogi do tańszej i prostszej produkcji czystego paliwa wodorowego. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 15 listopada w magazynie Science.
“Ogniwa słoneczne działają tylko wtedy, gdy świeci słońce. Gdy go brakuje musimy polegać na energii elektrycznej produkowanej w konwencjonalnych elektrowniach, zasilanych często węglem lub gazem naturalnym” – powiedział Hongjie Dai, profesor chemii na Stanford University, współautor badania. Dai wyjaśnił jednocześnie, że zaprezentowane ekologiczne rozwiaząnie powinno stanowić wzmocnienie działania ogniw słonecznych w nocy oraz wtedy gdy popyt na energię elektryczną jest szczególnie wysoki.
Do wytworzenia czystego wodoru naukowcy wykorzystali technologię rozszczepiania wody (z ang. water splitting). Dwie połączone ze sobą, półprzewodnikowe elektrody umieszczane są w wodzie. Elektrody absorbują światło i wykorzystują energię, do rozkładu wody na jej podstawowe składniki, czyli tlen i wodór. Następnie tlen uwalniany jest do atmosfery, a wodór przechowywany jest jako paliwo. Kiedy wystąpi zapotrzebowanie na energię proces wystarczy odwrócić. Zmagazynowany wodór łączony jest tlenem z powietrza, w wyniku czego powstaje energia oraz woda. Cały proces jest zrównoważony i nie powstają szkodliwe gazy cieplarniane. Największy problem dla naukowców stanowi odnalezienie odpowiednich, niedrogich materiałów do budowy elektrod w rozdzielaczach wody.
Krzem jest powszechnie stosowany w konstrukcjach paneli słonecznych, lecz w kontakcie z elektrolitem ulega degradacji. W rzeczywistości elektrody krzemowe bardzo szybko korodują, przez co spada wydajność ogniwa. Aby uniknąć tego zjawiska stosuje się warstwy ochronne. W 2011 roku inżynierowie ze Stanford stworzyli krzemowe elektrody pokryte cienkimi warstwami dwutlenku tytanu oraz irydu. Prototyp rozdzielacza działał przez 8 godzin i nie pojawiły się oznaki korozji. Wyniki były obiecujące, jednak cena irydu wykluczała powszechne stosowanie tego metalu.
Silnik hybrydowego samochodu BMW CleanEnergy zasilanego wodorem oraz benzyną.
Poprzednie doświadczenia zainspirowały badaczy do wykorzystania niklu. Nikiel jest odporny na korozję, posiada właściwość absorpcji (wchłaniania) atomów wodoru oraz możliwość stosowania go jako katalizatora reakcji. Atrakcyjność niklu zwiększa jego cena i powszechność występowania w porównaniu do metali szlachetnych.
W nowym eksperymencie, zespół Daia zastosował krzemową fotoanodę pokrytą cienką warstwą niklu, połączoną z drugą elektrodą. Całość została umieszczona w roztworze wody i boranu potasu. Elektrody zostały naświetlone przez ksenonową lampę o mocy 150 W. Powstające pęcherzyki były widocznym skutkiem rozkładu wody na tlen i wodór. Doświadczenie kontynuowano przez 24 godziny, bez widocznych oznak korozji. W celu zwiększenia wydajności reakcji naukowcy do elektrolitu dodali lit. Kolejny proces inżynierowie prowadzili przez 80 godzin, również bez przejawów korozji.
Wyniki wskazują na znaczący postęp w stosunku do wcześniejszych eksperymentalnych działań. Naukowcy chwalą się, że stworzyli jedną z najdłużej działających fotoanod krzemowych. Potwierdzili również, że ultracienka powłoka nie tylko hamowała korozję, ale także przyśpieszała reakcję rozszczepiania wody. Obecnie inżynierowie pracują nad poprawą stabilności i trwałości niklowo-krzemowych elektrod.
Źródło:
[1] High-performance silicon photoanodes passivated with ultrathin nickel films for water oxidation. Science (doi: 10.1126/science.1241327)
[2] http://news.stanford.edu/pr/2013/pr-nickel-water-splitter-111213.html | 20.11.2013
[3] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2013/11/13/342.6160.836.DC1/Kenney.SM.pdf | 20.11.2013
[4] Hydrogen by Zero Emission Resource, flickr.com, CC BY 2.0
[5] Hydrogen 7 by Steve Jurvetson (jurvetson), flickr.com, CC BY 2.0