Οι χημικοί μηχανικοί της Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ανακάλυψαν ένα τεχνητό φύλλο με ηλιακή ενέργεια, χτισμένο σε ένα νέο ηλεκτρόδιο που είναι διαφανές και πορώδες. Το τεχνητό φύλλο είναι ικανό να συλλέγει νερό από την ατμόσφαιρα για μετατροπή σε καύσιμο υδρογόνου . Η τεχνολογία που βασίζεται σε..
ημιαγωγούς είναι επεκτάσιμη και εύκολη στην προετοιμασία.Η εργασία που αναφέρει τα αποτελέσματα έχει δημοσιευθεί στο Advanced Materials .
Μια συσκευή που μπορεί να συλλέγει νερό από τον αέρα και να παρέχει καύσιμο υδρογόνου – εξ ολοκλήρου με ηλιακή ενέργεια – ήταν ένα όνειρο για τους ερευνητές εδώ και δεκαετίες. Τώρα, ο χημικός μηχανικός του EPFL Kevin Sivula και η ομάδα του έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα για να φέρουν αυτό το όραμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Η ομάδα έχει αναπτύξει ένα έξυπνο αλλά απλό σύστημα που συνδυάζει τεχνολογία που βασίζεται σε ημιαγωγούς με νέα ηλεκτρόδια που έχουν δύο βασικά χαρακτηριστικά: είναι πορώδη, για να μεγιστοποιούν την επαφή με το νερό στον αέρα. και διαφανές, για μεγιστοποίηση της έκθεσης στο ηλιακό φως της επικάλυψης ημιαγωγών. Όταν η συσκευή εκτίθεται απλώς στο ηλιακό φως, παίρνει νερό από τον αέρα και παράγει αέριο υδρογόνο.
Η κύρια εφεύρεση είναι τα νέα τους ηλεκτρόδια διάχυσης αερίου, τα οποία είναι διαφανή, πορώδη και αγώγιμα, επιτρέποντας σε αυτήν την τεχνολογία ηλιακής ενέργειας να μετατρέπει το νερό - στην αέρια κατάσταση του από τον αέρα - σε καύσιμο υδρογόνου.
Ο Sivula του Εργαστηρίου Μοριακής Μηχανικής Οπτοηλεκτρονικών Νανοϋλικών του EPFL και ο κύριος ερευνητής της μελέτης είπε: «Για να πραγματοποιήσουμε μια βιώσιμη κοινωνία, χρειαζόμαστε τρόπους αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας ως χημικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα και πρώτες ύλες στη βιομηχανία. Η ηλιακή ενέργεια είναι η πιο άφθονη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας και προσπαθούμε να αναπτύξουμε οικονομικά ανταγωνιστικούς τρόπους παραγωγής ηλιακών καυσίμων».
Έμπνευση από το φύλλο ενός φυτού
Στην έρευνά τους για ανανεώσιμα ορυκτά καύσιμα, οι μηχανικοί του EPFL σε συνεργασία με την Toyota Motor Europe, εμπνεύστηκαν από τον τρόπο που τα φυτά μπορούν να μετατρέψουν το ηλιακό φως σε χημική ενέργεια χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα από τον αέρα. Ένα φυτό συλλέγει ουσιαστικά διοξείδιο του άνθρακα και νερό από το περιβάλλον του και με την επιπλέον ώθηση ενέργειας από το ηλιακό φως, μπορεί να μετατρέψει αυτά τα μόρια σε σάκχαρα και άμυλα, μια διαδικασία γνωστή ως φωτοσύνθεση. Η ενέργεια του ηλιακού φωτός αποθηκεύεται με τη μορφή χημικών δεσμών μέσα στα σάκχαρα και τα άμυλα.
Τα διαφανή ηλεκτρόδια διάχυσης αερίου που αναπτύχθηκαν από τον Sivula και την ομάδα του, όταν επικαλύπτονται με ένα ελαφρύ υλικό ημιαγωγών, λειτουργούν πράγματι σαν τεχνητό φύλλο, συλλέγοντας νερό από τον αέρα και το φως του ήλιου για την παραγωγή αερίου υδρογόνου. Η ενέργεια του ηλιακού φωτός αποθηκεύεται με τη μορφή δεσμών υδρογόνου.
Αντί να κατασκευάζονται ηλεκτρόδια με παραδοσιακά στρώματα που είναι αδιαφανή στο ηλιακό φως, το υπόστρωμά τους είναι στην πραγματικότητα ένα τρισδιάστατο πλέγμα από πιληματοποιημένες ίνες γυαλιού.
Η Marina Caretti, επικεφαλής συγγραφέας του έργου, είπε: «Η ανάπτυξη της πρωτότυπης συσκευής μας ήταν πρόκληση, καθώς δεν είχαν προηγουμένως επιδειχθεί διαφανή ηλεκτρόδια διάχυσης αερίου και έπρεπε να αναπτύξουμε νέες διαδικασίες για κάθε βήμα. Ωστόσο, δεδομένου ότι κάθε βήμα είναι σχετικά απλό και επεκτάσιμο, νομίζω ότι η προσέγγισή μας θα ανοίξει νέους ορίζοντες για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, ξεκινώντας από τα υποστρώματα διάχυσης αερίου για παραγωγή υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια».
Από υγρό νερό μέχρι υγρασία στον αέρα
Η Sivula και άλλες ερευνητικές ομάδες έχουν δείξει στο παρελθόν ότι είναι δυνατή η εκτέλεση τεχνητής φωτοσύνθεσης με την παραγωγή καυσίμου υδρογόνου από υγρό νερό και ηλιακό φως χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται φωτοηλεκτροχημική κυψέλη (PEC). Ένα στοιχείο PEC είναι γενικά γνωστό ως μια συσκευή που χρησιμοποιεί προσπίπτον φως για να διεγείρει ένα φωτοευαίσθητο υλικό, όπως ένας ημιαγωγός, βυθισμένο σε υγρό διάλυμα για να προκαλέσει μια χημική αντίδραση. Αλλά για πρακτικούς σκοπούς, αυτή η διαδικασία έχει τα μειονεκτήματά της, π.χ. είναι πολύπλοκη η κατασκευή συσκευών PEC μεγάλης περιοχής που χρησιμοποιούν υγρό.
Η Sivula ήθελε να δείξει ότι η τεχνολογία PEC μπορεί να προσαρμοστεί για τη συλλογή υγρασίας από τον αέρα, οδηγώντας στην ανάπτυξη του νέου τους ηλεκτροδίου διάχυσης αερίου. Οι ηλεκτροχημικές κυψέλες (π.χ. κυψέλες καυσίμου) έχουν ήδη αποδειχθεί ότι λειτουργούν με αέρια αντί για υγρά, αλλά τα ηλεκτρόδια διάχυσης αερίων που χρησιμοποιήθηκαν στο παρελθόν είναι αδιαφανή και ασύμβατα με την τεχνολογία PEC που λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια.
Τώρα, οι ερευνητές εστιάζουν τις προσπάθειές τους στη βελτιστοποίηση του συστήματος. Ποιο είναι το ιδανικό μέγεθος ινών; Το ιδανικό μέγεθος πόρων; Οι ιδανικοί ημιαγωγοί και τα υλικά μεμβράνης; Αυτά είναι ερωτήματα που επιδιώκονται στο έργο της ΕΕ «Sun-to-X», το οποίο είναι αφιερωμένο στην προώθηση αυτής της τεχνολογίας και στην ανάπτυξη νέων τρόπων μετατροπής του υδρογόνου σε υγρά καύσιμα.
Κατασκευή διαφανών ηλεκτροδίων διάχυσης αερίου
Προκειμένου να κατασκευαστούν διαφανή ηλεκτρόδια διάχυσης αερίου, οι ερευνητές ξεκινούν με έναν τύπο υαλοβάμβακα, ο οποίος είναι ουσιαστικά ίνες χαλαζία (επίσης γνωστές ως οξείδιο του πυριτίου) και το επεξεργάζονται σε γκοφρέτες από τσόχα συντήκοντας τις ίνες μεταξύ τους σε υψηλή θερμοκρασία. Στη συνέχεια, η γκοφρέτα επικαλύπτεται με μια διαφανή λεπτή μεμβράνη από οξείδιο του κασσιτέρου με πρόσμειξη με φθόριο, γνωστό για την εξαιρετική αγωγιμότητα, τη στιβαρότητα και την ευκολία στην κλιμάκωση.
Αυτά τα πρώτα βήματα έχουν ως αποτέλεσμα μια διαφανή, πορώδη και αγώγιμη γκοφρέτα, απαραίτητη για τη μεγιστοποίηση της επαφής με τα μόρια του νερού στον αέρα και τη διέλευση των φωτονίων. Στη συνέχεια, η γκοφρέτα επικαλύπτεται ξανά, αυτή τη φορά με ένα λεπτό φιλμ από ημιαγωγικά υλικά που απορροφούν το φως του ήλιου. Αυτή η δεύτερη λεπτή επίστρωση εξακολουθεί να αφήνει το φως να περάσει, αλλά φαίνεται αδιαφανής λόγω της μεγάλης επιφάνειας του πορώδους υποστρώματος. Ως έχει, αυτή η επικαλυμμένη γκοφρέτα μπορεί ήδη να παράγει καύσιμο υδρογόνου μόλις εκτεθεί στο ηλιακό φως.
Οι επιστήμονες συνέχισαν στην κατασκευή ενός μικρού θαλάμου που περιέχει την επικαλυμμένη γκοφρέτα, καθώς και μια μεμβράνη για το διαχωρισμό του παραγόμενου αερίου υδρογόνου για μέτρηση. Όταν ο θάλαμος τους εκτίθεται στο ηλιακό φως υπό συνθήκες υγρασίας, παράγεται αέριο υδρογόνο, επιτυγχάνοντας αυτό που οι επιστήμονες σχεδίασαν να κάνουν, δείχνοντας ότι μπορεί να επιτευχθεί η ιδέα ενός διαφανούς ηλεκτροδίου διάχυσης αερίου για την παραγωγή αερίου υδρογόνου με ηλιακή ενέργεια.
Ενώ οι επιστήμονες δεν μελέτησαν επίσημα την απόδοση μετατροπής ηλιακού σε υδρογόνο στην επίδειξή τους, αναγνωρίζουν ότι είναι μέτρια για αυτό το πρωτότυπο και επί του παρόντος λιγότερο από ό,τι μπορεί να επιτευχθεί σε κυψέλες PEC με βάση υγρό. Με βάση τα υλικά που χρησιμοποιούνται, η μέγιστη θεωρητική απόδοση μετατροπής ηλιακού σε υδρογόνο της επικαλυμμένης γκοφρέτας είναι 12%, ενώ τα υγρά κύτταρα έχουν αποδειχθεί έως και 19% αποτελεσματικά.
***
Αυτό είναι ένα σημαντικό ορόσημο. Χωρίς προεπεξεργασία (καθαρισμός του νερού) με προσθήκη όξινων αλάτων κ.λπ. Πιθανότατα στήνεται οπουδήποτε ο ήλιος λάμπει και η υγρασία είναι αρκετά υψηλή. Το μόνο κομμάτι που λείπει είναι ο συνδυασμός οξυγόνου σε Ο2.
Αυτή η ανακάλυψη είναι μόλις λίγων εβδομάδων. Δεν θα ήταν έκπληξη ότι η έρευνα θα αυξήσει μαζικά την αποτελεσματικότητα. Θα παρακολουθούμε. Από ορισμένες απόψεις, αυτή η τεχνολογία έχει πιο πρακτικό νόημα από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Από το oilprice.com
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου