Gjennombrudd i solfotolyse av vann for hydrogenproduksjon

Innføringen av strategier for «carbon peaking» og «karbonnøytrale» har ført til en reduksjon i karbonutslipp, med hydrogen som et attraktivt alternativ som rent drivstoff. På den annen side er hydrogen også nødvendig for mange kjemiske prosesser, som produksjon av gjødsel. Imidlertid oppnås hydrogen i dag hovedsakelig gjennom omdannelse av vann og gass, en prosess som ikke bare genererer store karbonutslipp, men som også bruker store mengder termisk energi.

Naturlig fotosyntese (planter som bruker sollys for å få hydrogenatomer fra vann) er velkjent, men finnes det en "kunstig fotosyntese"-teknikk for å få hydrogen? Fotokatalytisk hydrogenproduksjon basert på total hydrolyse er en miljøvennlig og bærekraftig teknologi som kun forbruker sollys og vann og ikke produserer noen karbonutslipp, og derfor vekker den for tiden stor oppmerksomhet. Imidlertid begrenser den lave konverteringseffektiviteten fra solenergi til hydrogen (STH) til nåværende fotokatalytiske THM deres praktiske anvendelse.

Med dette i tankene har professor Yonezawas team ved University of Michigan utviklet en strategi for å oppnå STH-effektivitet på opptil 9,2 prosent ved bruk av rent vann, konsentrert sollys og en indiumgalliumnitrid-fotokatalysator, som etterligner nøkkeltrinnene i naturlig fotosyntese. Utendørseksperimenter viser at det representerer et stort sprang fremover for teknologien, og er nesten 10 ganger mer effektiv enn sammenlignbare eksperimenter med solenergi. Spesifikt har forskerne demonstrert at den fotokatalytiske totale vannoppløsningen på InGaN/GaN-overflater ikke bare fremmer den forreste vannnedbrytningsreaksjonen, men også hemmer den omvendte hydrogen-oksygenkomplekseringsreaksjonen gjennom den infrarøde termiske effekten generert av høyintensitetsfokusert sollys, noe som muliggjør InGaN nanotråder for å vise ekstremt høy fotokatalytisk total vannoppløsningseffektivitet. Forskningsresultatene ble publisert i siste utgave av Nature under tittelen "Solar-to-hydrogen efficiency of more than 9 percent in photocatalytic water splitting".

Forskerne oppnådde en høy STH-effektivitet på 9,2 prosent ved bruk av rent vann, konsentrert sollys og en indiumgalliumnitrid-fotokatalysator. Suksessen til strategien i denne artikkelen stammer fra den synergistiske effekten av å fremme utviklingen av hydrogen-oksygen og hemme omvendt hydrogen-oksygen-rekombinasjon, som kan oppnås ved å operere ved den optimale reaksjonstemperaturen (~70 grader Celsius), direkte ved å høste tidligere bortkastet infrarødt lys fra sollys. Videre resulterte denne temperaturavhengige strategien også i STH-effektiviteter på ~7 prosent fra allment tilgjengelig springvann og sjøvann, og 6,2 prosent i et stort fotokatalytisk vannseparasjonssystem med en naturlig sollyskapasitet på 25 7W. Denne forskningen gir en praktisk tilnærming til effektiv produksjon av hydrogendrivstoff fra naturlig sollys og vann, og overvinner effektivitetsflaskehalsen ved solenergiproduksjon.