Producerer grønt brint ved udsættelse af nanomaterialer for sollys

Et forskerhold fra Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) er gået sammen med franske forskere fra Institute of Chemistry and Processes for Energy, Miljø og sundhed (ICPEES), et fælles forskningslaboratorium fra CNRS og University of Strasbourg, at bane vejen mod produktion af grønt brint. Dette internationale team har udviklet nye sollys-lysfølsomme-nanostrukturerede elektroder. Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i november 2020 -udgaven af ​​tidsskriftet Solenergimaterialer og solceller .

En energioverførselsvektor

Brint betragtes af flere lande i Organisationen for Økonomisk Samarbejde og Udvikling (OECD) som en nøglespiller i overgangen til kulstoffrie industrier og sektorer. Ifølge INRS -professor My Ali El Khakani, Quebec kunne strategisk positionere sig i fremtidens energisektor. "Takket være højtydende nanomaterialer, vi kan forbedre effektiviteten af ​​vanddissociation til at producere brint. Dette "rene" brændstof får stadig større betydning for dekarboniseringen af ​​den tunge lastbil og offentlig transport. For eksempel, busser, der bruger brint som brændstof, kører allerede i flere europæiske lande og i Kina. Disse busser udsender vand i stedet for drivhusgasser, "tilføjede fysikeren og nanomaterialespecialisten.

Opdeling af vandmolekyler i ilt og brint er længe blevet udført ved elektrolyse. Imidlertid, industrielle elektrolysatorer er meget energikrævende og kræver store investeringer. INRS- og ICPEES -forskerne var temmelig inspireret af en naturlig mekanisme:fotosyntese. Ja, de har udviklet specialkonstruerede og strukturerede elektroder, der deler vandmolekyler under solens lys. Dette er en proces kendt som fotokatalyse.

For maksimal udnyttelse af solenergi, forskergrupperne har valgt et meget rigeligt og kemisk stabilt materiale:titandioxid (TiO ₂ ). TiO ₂ er en halvleder kendt for at være lysfølsom over for UV-lys, som kun tegner sig for 5% af solens bestråling. Forskere har brugt deres ekspertise på området til først at ændre TiO's atomarsammensætning ₂ og udvide sin lysfølsomhed over for synligt lys. De var i stand til at producere elektroder, der kan absorbere op til 50% af det lys, der udsendes af solen. En betydelig gevinst lige fra starten!

Forskerne er derefter gået i gang med nanostrukturen af ​​elektroden for at danne et netværk af TiO ₂ nanorør, der ligner en bikube-lignende struktur. Denne metode multiplicerede det effektive overfladeareal af elektroden med en faktor 100, 000 eller mere. "Nanostrukturering maksimerer forholdet mellem overflade og volumen af ​​et materiale. F.eks. TiO ₂ nanostrukturer kan tilbyde et overfladeareal på op til 50 m ² pr. gram. Det er overfladearealet på en lejlighed i mellemstørrelse! ”Påpegede professor El Khakani.

Det sidste trin i elektrodeudviklingen er deres "nanodekoration". Denne proces består i at deponere katalysator -nanopartikler på det ellers uendelige netværk af TiO ₂ nanorør for at øge deres effektivitet ved brintproduktion. For at opnå dette nanodekorations trin, forskerne brugte laserablationsdeponeringsteknikken, et felt, hvor professor El Khakani har udviklet en unik ekspertise i løbet af de sidste 25 år. Udfordringen var ikke kun at kontrollere størrelsen, spredning og forankring af katalysator -nanopartikler på TiO ₂ nanorørmatrix, men også for at finde alternativer til de dyre iridium- og platinklassiske katalysatorer.

Denne forskning identificerede koboltoxid (CoO), et materiale, der er helt tilgængeligt i Quebecs undergrund, som effektive co-katalysatorer til spaltning af vandmolekyler. En sammenligning af de to materialer viste, at CoO -nanopartikler muliggjorde en tidobling af den fotokatalytiske effektivitet af disse nye nanodekorerede elektroder under synligt lys sammenlignet med bare nanorør.