Ученые из Корейского исследовательского института стандартов и науки (KRISS) в Тэджоне продемонстрировали механизм переноса фотоанода с защитной пленкой для производства так называемого «зеленого водорода» (основанного на технологиях без углеродного выброса).
Это достижение может также помочь в совершенствовании техпроцессов искусственного фотосинтеза, сообщает портал SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Водород считается чистым и эффективным источником энергии, но далеко не всегда его практическое применение экологично. В настоящее время наиболее распространенным типом водорода является так называемый «серый водород», который получают из ископаемого топлива. Учитывая выбросы парниковых газов, образующиеся при его производстве, серый водород не является по-настоящему экологически чистым.
Эпоха широкого применения «зеленого водорода», который не дает никаких выбросов углерода, все еще пребывает «на подходе». «Зеленый водород» производится с использованием возобновляемых источников энергии. Типичным методом его производства на сегодня является фотоэлектрохимическое расщепление воды с использованием фотоанода, который непосредственно погружен в электролиты и может использовать поглощенную им солнечную энергию.
Однако, поскольку фотоанод напрямую контактирует с электролитом, он подвержен поверхностной коррозии, для предотвращения которой на поверхность фотоанода, как правило, наносят защитные покрытия из оксидных материалов, таких как диоксид титана (TiO2). Хотя оксидные материалы являются плохими проводниками электричества, их проводимость можно модулировать, когда образуются кислородные дефекты, служащие каналом для переноса заряда.
Ключом к увеличению срока службы фотоанодов является создание защитной пленки, достаточно прочной для предотвращения коррозии электродов и способной поддерживать оптимальную электропроводность. В KRISS разработали первую в мире технологию систематического регулирования уровня кислородных дефектов в защитной пленке фотоанода из диоксида титана (TiO2).
Южнокорейские исследователи из лаборатории доктора Ансуна Кима продемонстрировали потенциальное решение для массового производства прочного и эффективного фотоанода с защитной пленкой, который играет важную роль в производстве водорода путем расщепления воды на солнечной энергии.
Чтобы изучить роль кислородных дефектов в механизме переноса заряда, исследовательская группа определила оптимальные уровни дефектов, которые максимизируют срок службы фотоанода и производство водорода, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и электрохимического анализа.
В отличие от предыдущих исследований, которые основывались на спонтанно образующихся кислородных дефектах в защитной пленке в процессе производства, это исследование предлагает метод, который контролирует уровни кислородных дефектов, что позволяет наладить массовое производство.
Согласно результатам эксперимента KRISS, фотоанод без защитной пленки показал быструю деградацию своей работоспособности в течение часа, в результате чего эффективность производства водорода упала ниже 20% по сравнению с исходным состоянием. Новый фотоанод с оптимизированной защитной пленкой сохранял эффективность производства водорода на уровне более 85% даже после 100 часов работы.
Это достижение может повысить эффективность и срок службы фотоанодов, а также может быть применено к другим экологически чистым технологиям, основанным на фотоанодах. Одним из примеров является технология искусственного фотосинтеза, которая улавливает углекислый газ и преобразует его в химический источник энергии с использованием солнечной энергии.
Доктор Ансун Ким, главный исследователь Междисциплинарного института измерения материалов KRISS, отметил: «Разработанный нами новый подход может увеличить срок службы фотоанода примерно в 10 раз и внести значительный вклад в коммерциализацию зеленого водорода». KRISS планирует провести дальнейшие исследования, чтобы выявить оптимальные уровни кислородных дефектов и основные принципы, которые максимизируют срок службы фотоанодов.