Høst rent brintbrændstof gennem kunstig fotosyntese

En ny, stabil kunstig fotosyntese-enhed fordobler effektiviteten af ​​at udnytte sollys til at bryde både fersk- og saltvand ad, genererer brint, der derefter kan bruges i brændselsceller.

Enheden kan også omkonfigureres til at omdanne kuldioxid tilbage til brændstof.

Brint er det renest brændende brændstof, med vand som eneste emission. Men brintproduktion er ikke altid miljøvenlig. Konventionelle metoder kræver naturgas eller elektrisk strøm. Metoden avanceret af den nye enhed, kaldet direkte solvandsspaltning, bruger kun vand og lys fra solen.

"Hvis vi direkte kan lagre solenergi som et kemisk brændstof, som hvad naturen gør med fotosyntese, vi kunne løse en grundlæggende udfordring med vedvarende energi, " sagde Zetian Mi, en professor i elektro- og computerteknik ved University of Michigan, der ledede forskningen, mens han var på McGill University i Montreal.

Faqrul Alam Chowdhury, en doktorgradsstuderende i elektro- og computerteknik ved McGill, sagde, at problemet med solceller er, at de ikke kan lagre elektricitet uden batterier, som har høje samlede omkostninger og begrænset levetid.

Enheden er lavet af de samme udbredte materialer som solceller og anden elektronik, herunder silicium og galliumnitrid (findes ofte i lysdioder). Med et industriklar design, der fungerer med kun sollys og havvand, enheden baner vejen for storstilet produktion af rent brintbrændstof.

Tidligere direkte solvandssplittere har opnået lidt mere end 1 procent stabil sol-til-brint effektivitet i fersk- eller saltvand. Andre tilgange lider under brugen af ​​dyre, ineffektive eller ustabile materialer, såsom titaniumdioxid, det kan også involvere at tilføje meget sure opløsninger for at opnå højere effektivitet.

Mi og hans team, imidlertid, opnået mere end 3 procent sol-til-brint effektivitet. For at nå denne stabile effektivitet, holdet byggede et bybillede i nanostørrelse af galliumnitridtårne, der genererede et elektrisk felt. Galliumnitrid bliver lys, eller fotoner, ind i mobile elektroner og positivt ladede tomrum kaldet huller. Disse gratis ladninger opdeler vandmolekyler i brint og oxygen.

"Når denne specielt konstruerede wafer rammes af fotoner, det elektriske felt hjælper med at adskille fotogenererede elektroner og huller for at drive produktionen af ​​brint- og oxygenmolekyler effektivt, " sagde Chowdhury.

På nuværende tidspunkt siliciumbagsiden af ​​chippen bidrager ikke til dens funktion, men det kunne gøre mere. Det næste skridt kan være at bruge silicium til at hjælpe med at fange lys- og tragtladningsbærere til galliumnitridtårnene.

"Selvom effektiviteten på 3 procent kan virke lav, når det sættes i sammenhæng med de 40 års forskning i denne proces, det er faktisk et stort gennembrud, " sagde Mi. "Naturlig fotosyntese, alt efter hvordan du regner det ud, har en effektivitet på omkring 0,6 procent."

Han tilføjer, at 5 procent effektivitet er tærsklen for kommercialisering, men hans hold sigter efter 20 eller 30 procent effektivitet.

Mi udfører lignende forskning for at fjerne kuldioxid fra dets oxygen for at omdanne det resulterende kulstof til kulbrinter, såsom methanol og syngas. Denne forskningsvej kunne potentielt fjerne kuldioxid fra atmosfæren, ligesom planter gør.

"Det er den virkelig spændende del, " sagde Mi.

Enheden er dokumenteret i undersøgelsen, "Et fotokemisk diode kunstigt fotosyntesesystem til uassisteret højeffektiv generel spaltning af rent vand, " offentliggjort i Naturkommunikation . Sammen med Mi og Chowdhury, medforfattere inkluderer Michel Trudeau fra Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage, Hydro-Québec, og Hong Guo fra McGill University.