Onderzoekers ontwikkelen een groener alternatief voor fossiele brandstoffen door waterstof te produceren uit water en licht

Onderzoekers van de University of North Carolina van de Chapel Hill Department of Chemistry hebben silicium nanodraden ontwikkeld die zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit door water te splitsen in zuurstof en waterstofgas, een groener alternatief voor fossiele brandstoffen.

Vijftig jaar geledentoonden wetenschappers voor het eerst aan dat vloeibaar water kan worden gesplitst in zuurstof en waterstofgas met behulp van elektriciteit die wordt geproduceerd door een halfgeleiderelektrode te verlichten. Hoewel waterstof opgewekt met behulp van zonne-energie een veelbelovende vorm van schone energie is, hebben lage efficiëntie en hoge kosten de introductie van commerciële zonne-energie waterstofinstallaties belemmerd.

Een economische haalbaarheidsanalyse suggereert dat het gebruik van een suspensie van elektroden gemaakt van nanodeeltjes in plaats van een rigide zonnepaneelontwerp de kosten aanzienlijk zou kunnen verlagen, waardoor door zonne-energie geproduceerde waterstof concurrerend wordt met fossiele brandstoffen. Echter, de meeste bestaande op deeltjes gebaseerde door licht geactiveerde katalysatorenook wel fotokatalysatoren genoemd, kunnen alleen ultraviolette straling absorberen, waardoor hun energie-omzettingsefficiëntie onder zonlicht wordt beperkt.

James Cahoon, Ph.D., Hyde Family Foundation Professor of Chemistry aan UNC-Chapel Hill’s College of Arts and Sciences, en zijn collega’s in de afdeling hebben gewerkt aan de chemische synthese van halfgeleider nanomaterialen met unieke fysische eigenschappen die een reeks van technologieën, van zonnecellen tot solid-state geheugen. Cahoon is de corresponderende auteur van de bevindingen die op 9 februari zijn gepubliceerd Natuur.

Cahoon en zijn team ontwierpen nieuwe silicium nanodraden met meerdere zonnecellen langs hun as, zodat ze de energie konden produceren die nodig was om water te splitsen.

“Dit ontwerp is ongekend in eerdere reactorontwerpen en maakt het mogelijk om silicium voor het eerst in een PSR te gebruiken”, legt Taylor Teitsworth uit, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Cahoon.

Silicium absorbeert zowel zichtbaar als infrarood licht. Het is van oudsher een topkeuze voor zonnecellen, ook wel fotovoltaïsche cellen en halfgeleiders genoemd, vanwege deze en andere eigenschappen, waaronder de overvloed, lage toxiciteit en stabiliteit. Met zijn elektronische eigenschappen is de enige manier om draadloos water te splitsen met siliciumdeeltjes het coderen van meerdere fotovoltaïsche cellen in elk deeltje. Dit kan worden bereikt door deeltjes te genereren die meerdere interfaces bevatten, knooppunten genoemd, tussen twee verschillende vormen van silicium-p-type en n-type halfgeleiders.

Eerder concentreerde het onderzoek van Cahoon zich op een bottom-up synthese en ruimtelijk gecontroleerde modulatie van siliconen met boor voor p-type nanodraden en met fosfor voor n-type nanodraden om gewenste geometrieën en functionaliteiten te geven.

“We hebben deze benadering gebruikt om een ​​nieuwe klasse van watersplitsende multijunctie-nanodeeltjes te creëren. Deze combineren de materiële en economische voordelen van silicium met de fotonische voordelen van nanodraden met een diameter die kleiner is dan de golflengte van geabsorbeerd licht”, aldus Cahoon. “Vanwege de inherente asymmetrie van de draadverbindingen konden we een door licht aangedreven elektrochemische methode gebruiken om de co-katalysatoren selectief op de uiteinden van de draden af ​​te zetten om watersplitsing mogelijk te maken.”