Al decenia, onderzoekers over de hele wereld hebben gezocht naar manieren om zonne-energie te gebruiken om de belangrijkste reactie te genereren voor de productie van waterstof als een schone energiebron:het splitsen van watermoleculen om waterstof en zuurstof te vormen. Echter, dergelijke inspanningen hebben meestal gefaald omdat het te duur was om het goed te doen, en proberen om het tegen lage kosten te doen, leidde tot slechte prestaties.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin hebben een goedkope manier gevonden om de helft van de vergelijking op te lossen, zonlicht gebruiken om zuurstofmoleculen efficiënt uit water af te splitsen. de bevinding, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie , vertegenwoordigt een stap voorwaarts in de richting van een grotere acceptatie van waterstof als een belangrijk onderdeel van onze energie-infrastructuur.

Al in de jaren zeventig, onderzoekers onderzochten de mogelijkheid om zonne-energie te gebruiken om waterstof op te wekken. Maar het onvermogen om materialen te vinden met de combinatie van eigenschappen die nodig zijn voor een apparaat dat de belangrijkste chemische reacties efficiënt kan uitvoeren, heeft ervoor gezorgd dat het geen reguliere methode is geworden.

"Je hebt materialen nodig die goed zonlicht absorberen en, tegelijkertijd, niet degraderen terwijl de watersplitsingsreacties plaatsvinden, " zei Edward Yu, een professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Cockrell School. "Het blijkt dat materialen die goed zijn in het absorberen van zonlicht de neiging hebben onstabiel te zijn onder de omstandigheden die nodig zijn voor de watersplitsingsreactie, terwijl de materialen die stabiel zijn de neiging hebben om slecht zonlicht te absorberen. Deze tegenstrijdige vereisten drijven u naar een schijnbaar onvermijdelijke afweging, maar door meerdere materialen te combineren - een die het zonlicht efficiënt absorbeert, zoals silicium, en een andere die een goede stabiliteit biedt, zoals siliciumdioxide—in een enkel apparaat, dit conflict kan worden opgelost."

Echter, dit zorgt voor een andere uitdaging:de elektronen en gaten die worden gecreëerd door absorptie van zonlicht in silicium, moeten gemakkelijk door de siliciumdioxidelaag kunnen bewegen. Dit vereist meestal dat de siliciumdioxidelaag niet meer dan enkele nanometers is, wat de doeltreffendheid ervan bij het beschermen van de siliciumabsorbeerder tegen degradatie vermindert.

De sleutel tot deze doorbraak kwam door een methode om elektrisch geleidende paden te creëren door een dikke laag siliciumdioxide die tegen lage kosten kan worden uitgevoerd en kan worden geschaald naar hoge productievolumes. Om daar te komen, Yu en zijn team gebruikten een techniek die voor het eerst werd toegepast bij de productie van elektronische halfgeleiderchips. Door de siliciumdioxidelaag te coaten met een dunne film van aluminium en vervolgens de hele structuur te verwarmen, arrays van nanoschaal "spikes" van aluminium die de siliciumdioxidelaag volledig overbruggen worden gevormd. Deze kunnen dan gemakkelijk worden vervangen door nikkel of andere materialen die de watersplitsingsreacties helpen katalyseren.

Wanneer verlicht door zonlicht, de apparaten kunnen water efficiënt oxideren om zuurstofmoleculen te vormen, terwijl ze ook waterstof genereren op een afzonderlijke elektrode en een uitstekende stabiliteit vertonen bij langdurig gebruik. Omdat de technieken die worden gebruikt om deze apparaten te maken vaak worden gebruikt bij de productie van halfgeleiderelektronica, ze moeten gemakkelijk schaalbaar zijn voor massaproductie.

Het team heeft een voorlopige octrooiaanvraag ingediend om de technologie te commercialiseren.

Het verbeteren van de manier waarop waterstof wordt gegenereerd, is de sleutel tot de opkomst ervan als een levensvatbare brandstofbron. De meeste waterstofproductie vindt tegenwoordig plaats door stoom en methaan te verhitten, maar dat is sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen en produceert koolstofemissies.

Er is een duw in de richting van 'groene waterstof' die milieuvriendelijkere methoden gebruikt om waterstof op te wekken. En het vereenvoudigen van de watersplitsingsreactie is een belangrijk onderdeel van die inspanning.

Waterstof heeft het potentieel om een ​​belangrijke hernieuwbare hulpbron te worden met enkele unieke eigenschappen. Het speelt al een belangrijke rol in belangrijke industriële processen, en het begint te verschijnen in de auto-industrie. Brandstofcelbatterijen zien er veelbelovend uit in langeafstandsvrachtvervoer, en waterstoftechnologie kan een zegen zijn voor energieopslag, met de mogelijkheid om overtollige wind- en zonne-energie op te slaan die wordt geproduceerd wanneer de omstandigheden er rijp voor zijn.

Vooruit gaan, het team zal werken aan het verbeteren van de efficiëntie van het zuurstofgedeelte van de watersplitsing door de reactiesnelheid te verhogen. De volgende grote uitdaging voor de onderzoekers is dan om door te gaan naar de andere helft van de vergelijking.

"We waren in staat om eerst de zuurstofkant van de reactie aan te pakken, wat het meest uitdagende deel is, "J zei, "maar je moet zowel de waterstof- als zuurstofevolutiereacties uitvoeren om de watermoleculen volledig te splitsen, dus daarom is onze volgende stap om deze ideeën toe te passen om apparaten te maken voor het waterstofgedeelte van de reactie."