At lave rent brint er svært, men forskere har lige løst en stor forhindring

I årtier, forskere rundt om i verden har søgt efter måder at bruge solenergi til at generere nøglereaktionen for at producere brint som en ren energikilde - spaltning af vandmolekyler for at danne brint og ilt. Imidlertid, sådanne bestræbelser har for det meste mislykkedes, fordi det var for dyrt at gøre det godt, og forsøg på at gøre det til en lav pris førte til dårlig ydeevne.

Nu, forskere fra University of Texas i Austin har fundet en billig måde at løse den ene halvdel af ligningen på, bruge sollys til effektivt at adskille iltmolekyler fra vand. Fundet, udgivet for nylig i Naturkommunikation , repræsenterer et skridt fremad mod en større anvendelse af brint som en central del af vores energiinfrastruktur.

Allerede i 1970'erne forskere undersøgte muligheden for at bruge solenergi til at generere brint. Men manglende evne til at finde materialer med den kombination af egenskaber, der er nødvendige for en enhed, der kan udføre de vigtigste kemiske reaktioner effektivt, har forhindret den i at blive en almindelig metode.

"Du har brug for materialer, der er gode til at absorbere sollys og, på samme tid, nedbrydes ikke, mens vandspaltningsreaktionerne finder sted, " sagde Edward Yu, en professor i Cockrell School's Department of Electrical and Computer Engineering. "Det viser sig, at materialer, der er gode til at absorbere sollys, har tendens til at være ustabile under de betingelser, der kræves for den vandsplittende reaktion, mens de materialer, der er stabile, har en tendens til at absorbere dårligt sollys. Disse modstridende krav driver dig mod en tilsyneladende uundgåelig afvejning, men ved at kombinere flere materialer - et, der effektivt absorberer sollys, såsom silicium, og en anden, der giver god stabilitet, såsom siliciumdioxid - i en enkelt enhed, denne konflikt kan løses."

Imidlertid, dette skaber endnu en udfordring – elektronerne og hullerne skabt af absorption af sollys i silicium skal let kunne bevæge sig hen over siliciumdioxidlaget. Dette kræver normalt, at siliciumdioxidlaget ikke er mere end et par nanometer, hvilket reducerer dens effektivitet til at beskytte siliciumabsorberen mod nedbrydning.

Nøglen til dette gennembrud kom gennem en metode til at skabe elektrisk ledende baner gennem et tykt siliciumdioxidlag, der kan udføres til lave omkostninger og skaleres til høje produktionsvolumener. At komme dertil, Yu og hans team brugte en teknik, der først blev implementeret i fremstillingen af ​​halvleder elektroniske chips. Ved at belægge siliciumdioxidlaget med en tynd film af aluminium og derefter opvarme hele strukturen, arrays af nanoskala "pigge" af aluminium, der fuldstændigt bygger bro over siliciumdioxidlaget, dannes. Disse kan så let erstattes af nikkel eller andre materialer, der hjælper med at katalysere vandspaltningsreaktionerne.

Når den er oplyst af sollys, enhederne kan effektivt oxidere vand til dannelse af oxygenmolekyler, samtidig med at de genererer brint ved en separat elektrode og udviser enestående stabilitet under længerevarende drift. Fordi de teknikker, der anvendes til at skabe disse enheder, almindeligvis anvendes til fremstilling af halvlederelektronik, de skal være nemme at skalere til masseproduktion.

Holdet har indgivet en foreløbig patentansøgning for at kommercialisere teknologien.

At forbedre den måde, brint genereres på, er nøglen til dets fremkomst som en levedygtig brændstofkilde. Det meste af brintproduktion sker i dag gennem opvarmning af damp og metan, men det er stærkt afhængigt af fossile brændstoffer og producerer kulstofemissioner.

Der er et skub i retning af 'grøn brint', som bruger mere miljøvenlige metoder til at generere brint. Og forenklingen af ​​vandspaltningsreaktionen er en vigtig del af denne indsats.

Brint har potentiale til at blive en vigtig vedvarende ressource med nogle unikke kvaliteter. Det har allerede en stor rolle i vigtige industrielle processer, og det begynder at dukke op i bilindustrien. Brændselscellebatterier ser lovende ud i langdistancetransport, og brintteknologi kan være en velsignelse for energilagring, med evnen til at lagre overskydende vind- og solenergi produceret, når forholdene er modne for dem.

Fremadrettet, holdet vil arbejde på at forbedre effektiviteten af ​​iltdelen af ​​vandspaltningen ved at øge reaktionshastigheden. Forskernes næste store udfordring er så at gå videre til den anden halvdel af ligningen.

"Vi var i stand til at adressere iltsiden af ​​reaktionen først, hvilket er den mere udfordrende del, " sagde Yu, "men du skal udføre både hydrogen- og oxygenudviklingsreaktionerne for fuldstændigt at splitte vandmolekylerne, så det er derfor, vores næste skridt er at se på at anvende disse ideer til at lave enheder til hydrogendelen af ​​reaktionen."