Czy „sztuczny liść” zrewolucjonizuje energetykę wodorową?
Zespół naukowców ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (EPFL) w Lozannie stworzył urządzenie, które, niczym żywa roślina, pod wpływem światła słonecznego pobiera wilgoć z powietrza i wydziela wodór.
Gaz ten może być z powodzeniem wykorzystywany jako odnawialne paliwo słoneczne.
Takie urządzenie, pozyskujące wodę z powietrza i dostarczające paliwo wodorowe – w całości zasilane energią słoneczną – było marzeniem naukowców od dziesięcioleci. Inżynier chemik EPFL profesor Kevin Sivula stanął na czele zespołu, który uczynił znaczący krok w kierunku urzeczywistnienia tej wizji.
Proste a genialne
Naukowcy z Lozanny opracowali genialny w swojej prostocie system, który łączy technologię opartą na półprzewodnikach z nowatorskimi elektrodami. Posiadają one dwie kluczowe cechy:
- są porowate, aby zmaksymalizować kontakt z wodą w powietrzu
- są przezroczyste, aby zmaksymalizować ekspozycję powłoki półprzewodnikowej na światło słoneczne.
Urządzenie wystawione na działanie promieni słonecznych, pobiera wodę z powietrza i wytwarza gazowy wodór.
„Aby stworzyć zrównoważone społeczeństwo, potrzebujemy sposobów magazynowania energii odnawialnej w postaci chemikaliów, które można wykorzystać jako paliwa i surowce w przemyśle. Energia słoneczna jest najbardziej rozpowszechnioną formą energii odnawialnej, a my dążymy do opracowania ekonomicznie konkurencyjnych sposobów produkcji paliw słonecznych”, mówi profesor Sivula.
Rewolucyjny wynalazek jest wciąż w fazie rozwoju i minie około dziesięciu lat, zanim ta technologia stanie się dostępna na rynku. Jednak rozpoczęte badania stanowią początkowy i zarazem milowy krok w poszukiwaniach przyjaznego dla środowiska i zrównoważonego paliwa.
Droga do sukcesu
Badania nad odnawialnymi paliwami inżynierowie EPFL prowadzą we współpracy z Toyota Motor Europe.
W poprzednim badań profesor Sivula i jego zespół wykorzystali urządzenie znane jako ogniwo fotoelektrochemiczne (PEC). Zademonstrowali sztuczną fotosyntezę polegającą na wytwarzaniu z wykorzystaniem ogniwa PEC paliwa wodorowego światła słonecznego i wody. To urządzenie wykorzystywało światłoczuły materiał półprzewodnikowy, który wyzwalał takie reakcje chemiczne, które dzieliły wodę na H 2 i O 2 .
Jednak urządzenia powstałe wskutek tego eksperymentu posiadały bardzo skomplikowana budowę oraz nie były skalowalne. Naukowcy zauważyli następnie, że komórki działają lepiej z gazami niż z cieczami. Postanowili więc wykorzystać technologię PEC do usuwania wilgoci z powietrza zamiast bezpośredniego używania wody w stanie ciekłym. To doprowadziło ich do obecnego badania.
Foto: Alaina Herzoga / EPFL
Zespół z Lozanny opracował przezroczyste gazowe elektrody dyfuzyjne i pokrył je materiałem półprzewodnikowym zdolnym do wychwytywania i przetwarzania światła słonecznego. W przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrod, składających się z materiałów nieprzezroczystych dla światła słonecznego, przezroczyste elektrody są wykonane z trójwymiarowych włókien szklanych.
Jest to pierwsze badanie, w którym jako odpowiednie podłoże dla ogniwa PEC zastosowano przezroczyste dyfuzyjne elektrody gazowe. Cały ten układ działa jak sztuczny liść , który wysysa wodę z powietrza i wytwarza wodór.
Roślinne inspiracje
Właśnie z obserwacji przyrody naukowy czerpali wiedzę. Obserwowali w jaki sposób rośliny są w stanie przekształcić światło słoneczne w energię chemiczną przy użyciu dwutlenku węgla z powietrza. Roślina zbiera dwutlenek węgla i wodę ze swojego otoczenia. Dzięki energii ze światła słonecznego może przekształcić te cząsteczki w cukry i skrobię w procesie znanym jako fotosynteza. Energia światła słonecznego jest magazynowana w postaci wiązań chemicznych wewnątrz cukrów i skrobi.
Przezroczyste elektrody dyfuzyjne gazu opracowane przez profesora Sivulę i jego zespół, po pokryciu materiałem półprzewodnikowym zbierającym światło, rzeczywiście działają jak sztuczny liść. Zbierają wodę z powietrza i światła słonecznego w celu wytworzenia wodoru. Energia światła słonecznego jest magazynowana w postaci wiązań wodorowych.
Zamiast budować elektrody z tradycyjnymi warstwami nieprzezroczystymi dla światła słonecznego, ich podłożem jest w rzeczywistości trójwymiarowa siatka sfilcowanych włókien szklanych.
Marina Caretti, główna autorka pracy, mówi: „Opracowanie naszego prototypowego urządzenia było wyzwaniem, ponieważ wcześniej nie zademonstrowano przezroczystych elektrod dyfuzyjnych i musieliśmy opracować nowe procedury dla każdego etapu. Jednak ponieważ każdy krok jest stosunkowo prosty, myślę, że nasze podejście otworzy nowe horyzonty dla szerokiego zakresu zastosowań, począwszy od substratów do dyfuzji gazu do produkcji wodoru napędzanej energią słoneczną”.
Teraz naukowcy koncentrują swoje wysiłki na optymalizacji systemu. Próbują ustalić jaki jest idealny rozmiar włókna, znaleźć idealny rozmiar porów, a także dobrać odpowiednie półprzewodniki i materiały membranowe. Działania przeprowadzają w ramach unijnego projektu „Sun-to-X”. Jego celem jest rozwój tej technologii i opracowanie nowych sposobów przekształcania wodoru w paliwa płynne.
Jak powstaje sztuczny liść?
Aby stworzyć przezroczyste elektrody do dyfuzji gazu, naukowcy zaczynają od przygotowania wełny szklanej. Zbudowanej z włókien kwarcowych (znanymi również jako tlenek krzemu). Poprzez stapianie w wysokiej temperaturze przetwarzają ją w płytki filcowe.
Następnie płytka jest powlekana przezroczystą cienką warstwą tlenku cyny z domieszką fluoru, znanego z doskonałej przewodności i wytrzymałości. Dzięki temu otrzymuje się przezroczystą, porowatą i przewodzącą płytką. Niezbędną do maksymalizacji kontaktu z cząsteczkami wody w powietrzu i przepuszczania fotonów.
Następnie płytka jest ponownie powlekana, tym razem cienką warstwą materiałów półprzewodnikowych pochłaniających światło słoneczne. Druga cienka powłoka nadal przepuszcza światło, choć jest nieprzezroczysta ze względu na dużą powierzchnię porowatego podłoża. Tak powleczony wafel może już wytwarzać paliwo wodorowe po wystawieniu na działanie promieni słonecznych.
Następnie naukowcy powlekaną płytkę umieścili w małej komorze wraz z membraną do oddzielania wytwarzanego wodoru gazowego. W komorze wystawionej na działanie światła słonecznego, w wilgotnych warunkach dochodzi do wytworzenia wodoru gazowego!
W ten sposób naukowcy osiągnęli to, co zamierzyli, pokazując, że można zrealizować koncepcję przezroczystej elektrody dyfuzyjnej gazu do produkcji wodoru gazowego zasilanego energią słoneczną.
Jeszcze niepełna satysfakcja
Satysfakcja naukowców jest jednak niepełna. Przyznają oni, że wydajność konwersji energii słonecznej na wodór w przeprowadzonej demonstracji prototypu jest mniejsza niż można osiągnąć w ogniwach PEC na bazie cieczy. W oparciu o użyte materiały maksymalna teoretyczna wydajność konwersji energii słonecznej na wodór w powlekanej płytce wynosi 12%. Wydajność ogniw płynnych to 19%.
Na pierwszy rzut oka pomysł produkcji paliwa słonecznego z wodoru może wydawać się bardzo prosty. W rzeczywistości jest to wciąż proces złożony. Nawet po to, aby zademonstrować swój pomysł, autorzy badania musieli zastosować kilka zasad i koncepcji fizyki półprzewodników, optoelektroniki, katalizy i transferu masy razem w kontrolowanym środowisku.
Autorzy w oparciu o wyniki prac dotyczące skalowalnej metody wytwarzania przezroczystych warstw dyfuzyjnych złożyli europejskie zgłoszenie patentowe w imieniu Toyota Motor Corporation.
Czytaj także: Czy skoncentrowana energia słoneczna zbawi naszą planetę?
