Ученые Великобритании добились значительных успехов в преобразовании солнечной энергии в водород

Совместная группа исследователей из Имперского колледжа Лондона и Лондонского университета королевы Марии добилась значительных успехов в области технологий устойчивой энергетики, о чём подробно рассказывается в их последней публикации в Nature Energy.

Исследование представляет собой новаторский подход к использованию солнечного света для эффективного и стабильного производства водорода с помощью экономичных органических материалов, что потенциально может изменить способы производства и хранения чистой энергии.

Исследование направлено на решение давней проблемы, возникающей при разработке систем преобразования солнечной энергии в водород: нестабильность органических материалов, таких как полимеры и небольшие молекулы в воде, и неэффективность, вызванная потерями энергии на критических границах раздела.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа представила многослойную архитектуру устройства, которая объединяет органический фотоактивный слой с защитным графитовым листом, функционализированным никель-железным катализатором. Этот инновационный дизайн обеспечивает беспрецедентное сочетание высокой эффективности и долговечности, став новым эталоном в этой области.

«Наша работа показывает, что высокоэффективное и стабильное расщепление воды на солнце может быть достигнуто с помощью недорогих масштабируемых органических материалов», — сказал доктор Флурин Айзнер, преподаватель «зелёной» энергетики в Лондонском университете королевы Марии, который руководил разработкой органических фотоактивных слоёв в рамках проекта.

«Органические материалы можно легко настроить с точки зрения их свойств, таких как поглощаемый ими свет и их электрические свойства, а это значит, что они могут быть чрезвычайно универсальной платформой для создания различных способов преобразования солнечного света в топливо (например, водород) или даже химические вещества, имитируя естественный фотосинтез в растениях. Это открывает захватывающие новые возможности для производства экологичного топлива и химических веществ».

В ходе исследования новое устройство обеспечило плотность фототока более 25 мА/см^-2 при напряжении +1,23 В по отношению к обратимому водородному электроду для окисления воды — одной из двух реакций расщепления воды на водород и кислород с использованием солнечной энергии. Это значительный прорыв, превосходящий предыдущие системы. В отличие от более ранних конструкций, которые выходили из строя в течение нескольких часов, новая система демонстрировала стабильность работы в течение нескольких дней. Конструкция поддерживает широкий спектр органических материалов, обеспечивая гибкость для будущих инноваций в области солнечной энергии.

Чтобы добиться таких результатов, команда использовала объёмный гетероструктурный органический фотоактивный слой, интегрированный с самоклеящимся графитовым листом, функционализированным оксигидроксидным катализатором на основе никеля и железа. Графит не только защищал фотоактивный слой от разрушения под воздействием воды, но и обеспечивал эффективное электрическое соединение.

«Помимо рекордной эффективности и стабильности наших органических устройств, наши результаты позволяют определить вклад различных компонентов в деградацию устройства, что было серьёзной проблемой в этой области, — сказал доктор Матьяш Дабоци, первый автор исследования на факультете химической инженерии Имперского колледжа (в настоящее время научный сотрудник Центра энергетических исследований HUN-REN и приглашённый исследователь на факультете химической инженерии Имперского колледжа). – Я считаю, что наши идеи и рекомендации будут полезны для дальнейшего повышения стабильности и производительности таких органических фотоэлектрохимических устройств в реальных условиях».

Потенциал этого прорыва был дополнительно продемонстрирован в устройствах для полного расщепления воды, способных вырабатывать водород из воды и света без использования дополнительного электричества. Они достигли эффективности преобразования солнечной энергии в водород на уровне 5%, что может значительно ускорить внедрение, например, автономных технологий производства водорода.

Доктор Сальвадор Эслава, ведущий научный сотрудник исследования на факультете химической инженерии Имперского колледжа, заявил: «Этот результат — значительное улучшение характеристик органических фотоэлектрохимических устройств, позволяющее достичь рекордной эффективности преобразования солнечной энергии в водород. Этот подход использует преимущества объёмных органических гетеропереходов, которые обеспечивают впечатляющие фототоки, фотовольтаж, содержат большое количество элементов и просты в обработке, и применяет их в электродах фотоэлектрохимических элементов».

Ожидается, что результаты исследования приведут к дальнейшим достижениям в этой области, открывая путь к практическому применению в реальном мире. Команда стремится развить эту основу, изучая способы повышения стабильности материалов и масштабирования технологии для промышленного использования.

Источник: Tech Xplore