Rice University-onderzoekers hebben een efficiënte, goedkoop apparaat dat water splitst om waterstofbrandstof te produceren.

Het platform ontwikkeld door het Brown School of Engineering-lab van Rice-materiaalwetenschapper Jun Lou integreert katalytische elektroden en perovskiet-zonnecellen die, wanneer geactiveerd door zonlicht, elektriciteit produceren. De stroom gaat naar de katalysatoren die water omzetten in waterstof en zuurstof, met een zonlicht-naar-waterstof-efficiëntie van wel 6,7%.

Dit soort katalyse is niet nieuw, maar het lab verpakte een perovskietlaag en de elektroden in een enkele module die, wanneer het in het water valt en in het zonlicht wordt geplaatst, produceert waterstof zonder verdere input.

Het platform geïntroduceerd door Lou, hoofdauteur en Rice postdoctoraal fellow Jia Liang en hun collega's in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano is een zelfvoorzienende producent van brandstof die, ze zeggen, moet eenvoudig in bulk te produceren zijn.

"Het concept is in grote lijnen vergelijkbaar met een kunstblad, " zei Lou. "Wat we hebben is een geïntegreerde module die zonlicht omzet in elektriciteit die een elektrochemische reactie aanstuurt. Het gebruikt water en zonlicht om chemische brandstoffen te krijgen."

Perovskieten zijn kristallen met kubusachtige roosters waarvan bekend is dat ze licht oogsten. De meest efficiënte perovskiet-zonnecellen die tot nu toe zijn geproduceerd, halen een efficiëntie van meer dan 25%, maar de materialen zijn duur en hebben de neiging om te worden belast door licht, vochtigheid en warmte.

"Jia heeft de duurdere componenten vervangen, zoals platina, in perovskiet zonnecellen met alternatieven zoals koolstof, " zei Lou. "Dat verlaagt de drempel voor commerciële adoptie. Geïntegreerde apparaten zoals deze zijn veelbelovend omdat ze een systeem creëren dat duurzaam is. Dit vereist geen externe voeding om de module draaiende te houden."

Liang zei dat de belangrijkste component misschien niet de perovskiet is, maar het polymeer dat het inkapselt, om de module te beschermen en langdurig onder te dompelen. "Anderen hebben katalytische systemen ontwikkeld die de zonnecel buiten het water verbinden met ondergedompelde elektroden met een draad, " zei hij. "We vereenvoudigen het systeem door de perovskietlaag in te kapselen met een Surlyn (polymeer) film."

De film met patroon zorgt ervoor dat zonlicht de zonnecel kan bereiken terwijl deze wordt beschermd en dient als een isolator tussen de cellen en de elektroden. zei Liang.

"Met een uitgekiend systeemontwerp, je kunt mogelijk een zichzelf in stand houdende lus maken, " zei Lou. "Zelfs als er geen zonlicht is, je kunt opgeslagen energie gebruiken in de vorm van chemische brandstof. Je kunt de waterstof- en zuurstofproducten in aparte tanks doen en een andere module inbouwen, zoals een brandstofcel, om die brandstoffen weer om te zetten in elektriciteit."

De onderzoekers zeiden dat ze de inkapselingstechniek en de zonnecellen zelf zullen blijven verbeteren om de efficiëntie van de modules te verhogen.