Створено дешевий сонячний електролізер

Американські та китайські вчені розробили недорогий сонячний електролізер - пристрій для отримання водню за допомогою сонячної енергії. Про це пише N+1.

Хіміки під керівництвом Цзюнь Лоу з Університету Райса використали сонячний елемент, зроблений з свинцево-галогенідного перовскіту CH3NH3PbI3, а каталізатор для електролізу води - з наностержнів оксиду кобальту.

«Зазвичай такі пристрої виготовляють з кремнієвих сонячних елементів, а як каталізатори використовують метали платинової групи - платину, іридій і рутеній - і їх сполуки, - пояснюють вчені. - Всі ці матеріали досить дорогі, що ускладнює подальше масштабування сонячно-водневих систем».

Схема електролізера Liang et al / ACS Nano, 2020

Перовскіт вибрали ще й тому, що такі елементи демонструють більш високі значення напруги холостого ходу, ніж кремнієві, а в разі електролізу води ця перевага дуже важлива, наголошують фахівці.

«Наностержні оксиду кобальту - це матеріал з великою питомою площею поверхні, який наносять на електроди для поліпшення ефективності електролізу, - зауважують хіміки. - Наностержні синтезували гідротермальним методом з розчину нітрату кобальту і сечовини, а потім додатково допірували фосфором: для цього їх нагріли у печі разом з гідрофосфатом натрію при 300 градусах Цельсія: додавання фосфору покращує електрокаталітичну активність стрижнів, дозволяючи проводити електроліз при більш низьких значеннях потенціалу».

Автори навмисно відмовилися від використання дорогих і рідкісних матеріалів скрізь, де це було можливо. Наприклад, у перовскітному сонячному елементі вони замінили золотий катод на катод з вугілля, а також відмовилися від полімерного шару між активним шаром і катодом. Цей шар виготовляють з полімеру, який пропускає тільки дірки, але не пропускає електрони. Синтез подібних полімерів дуже складний, тому відмова від них робить пристрій значно дешевшим.

Один з головних недоліків сонячних елементів - переривчастий характер роботи, пояснюють фахівці. «Оскільки потужність, що видається сонячною електростанцією, залежить від сезону, часу доби і погоди, для ефективного використання сонячного випромінювання потрібно навчитися запасати енергію у світлий час доби, щоб потім використовувати її, наприклад, вночі, - говорять фахівці. – Ми вирішили проблему поєднанням двох технологій: фотовольтаїки і електрокаталітичного отримання водню: у такому пристрої електроенергія, згенерована сонячною панеллю, відразу ж використовується для виділення водню з води шляхом електролізу». Далі водень можна використовувати для отримання електрики у темний час доби, а також зберігати і перевозити.

Енергія в такому пристрої перетворюється двічі: спочатку енергія падаючих фотонів переходить в електричну енергію, а потім - в енергію хімічних зв'язків молекули водню. Втрати відбуваються на обох етапах, тому ефективність таких пристроїв поки не дуже висока: кращі показують ефективність в 16-19%.

Крім того, автори вперше помістили перовскітний сонячний елемент безпосередньо у розчин електроліту. Це дозволило знизити омічні втрати і домогтися кращої ефективності пристрою. Вода для перовскітних сонячних елементів дуже небезпечна - навіть невелика її кількість призводить до незворотної деградації таких пристроїв». Тому сонячний елемент потрібно було надійно інкапсулювати - тут автори теж не відступили від своїх принципів і використовували комерційно доступну пакувальну плівку Surlyn. Їх експерименти показали, що, нагріваючи плівку до 150 градусів Цельсія протягом декількох секунд, можна отримати повністю герметичне покриття, яке надійно оберігає сонячний елемент від вологи.

Ефективність перетворення сонячного випромінювання в електроенергію склала 10,6%, а сумарна ефективність електролізера - 6,7%. «Це поки менше, ніж у кращих електролізерів на кремнії і металах платинової групи, - зауважують розробники. - У майбутньому електролізер можна буде поліпшити, використовуючи інший склад перовскітного матеріалу або експериментуючи з складанням каталізатора».

Раніше повідомлялося, що нафтові гіганти на Близькому Сході почали активно вкладатися в сонячну енергетику.