Солнечные батареи для производства водорода

Солнечные батареи для производства водорода с помощью двух самых распространенных элементов на Земле

Одним из потенциальных видов чистой энергии будущего является экономичный, эффективный и относительно простой способ создания обильного количества водорода, который затем используется в топливных элементах и водородных транспортных средствах.

Этот процесс зачастую происходит с помощью электричества — разделение молекулы воды на водород и кислород — но идеальным решением было бы добывать водород из воды с помощью электроэнергии, вырабатываемой непосредственно от солнечного света без добавления какого-либо внешнего источника энергии.

Гематит — минеральная форма железа – использование его в сочетании с кремнием обещало некоторое продвижение в этой области, но исследование показало низкую эффективность преобразования. Теперь ученые нашли способ сделать значительные улучшения с помощью двух самых распространенных элементов на Земле, обещая эффективное производство водорода.

Гематит обладает потенциалом для использования при маломощном фотоэлектрохимическом расщеплении воды (где на входе — световая энергия и химическая энергия на выходе) с выделением водорода из-за его низкого напряжения активации — менее 0,3 вольт при воздействии солнечного света. К сожалению, это напряжение слишком низкое, чтобы инициировать расщепление воды, поэтому, для улучшения протекания электрического тока, к поверхности гематита были применены несколько усовершенствований.

В связи с этим, исследователи из Бостонского колледжа, Калифорнийского университета в Беркли, и китайского Университета Науки и Технологии неожиданно обнаружили технологию «повторного наращивания» гематита, таким образом, у материала получается гладкая поверхность наряду с более высоким выходом энергии. На самом деле, эта новая версия удвоила электрическую мощность, и приблизилась на шаг ближе к практическому применению: крупномасштабному производству водорода.

«Просто сглаживая поверхностные характеристики гематита, его можно улучшить до возможности соединения с кремнием, который является производным от песка, чтобы добиться полного расщепления воды для получения водорода», сказал профессор химии из Бостонского колледжа Донвей Ванг (Dunwei Wang). «Этот способ расщепления воды абсолютно самодостаточен, не требует дорогостоящих или дефицитных ресурсов».

Работая над предыдущим проектом, который нацелен максимизировать эффективность в плане напряжения фотоэлектрохимической активации при использовании гладких поверхностей, команда вновь оценила структуру поверхности гематита, используя ускоритель синхротронных частиц в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Сосредоточившись на обработке недостатков поверхности гематита, они решили проверить, приведет ли это к улучшению. Исследователи использовали вакуумное насаждение слоя гематита на подложку из боросиликатного стекла, и создали фотоанод. Затем они высушили устройства для получения тонкой пленки оксида железа по всей поверхности.

Последующие испытания этой новой амальгамы привели к немедленному улучшению в плане напряжения активации и существенному увеличению фотонапряжения от 0,24 до 0,80 вольт. Хотя этот новый процесс сбора водорода обладает КПД всего лишь 0,91%, это первый раз, когда сочетание гематита и аморфного кремния показало какие-либо значимые КПД преобразования вообще.

В результате, это исследование показало достижение прогресса в направлении возможности фотоэлектрохимического сбора энергии, который является абсолютно самодостаточным, использует совершенно доступные материалы, и легок в производстве.

«Это дает надежду на новое эффективное и недорогое солнечное производство топлива при помощи легкодоступных природных ресурсов», сказал Ван. «Использование этой технологии будет способствовать устойчивому будущему энергопитания от возобновляемых источников энергии».

Источник

Получение водорода из морской воды с помощью солнечных панелей Комментировать

Эффективное и экономически выгодное получение водорода и кислорода из морской воды с помощью электролиза было целью ученых на протяжении нескольких десятилетий, сообщает Newsweek.

Количество энергии, которое запасено в 1 кг одном килограмме водорода почти в 2.5 раза больше чем в природном газе, но что еще немаловажно, единственным продуктом сгорания водорода является вода. В недалёком будущем, с помощью водорода можно будет обеспечить энергией практически всё: от автомобилей до зданий и строений. Однако, получение водорода в таком глобальном масштабе может создать нагрузку на пресные источники воды, которые нужны как для питься, так и для использования в многочисленных промышленных процессах.

Команде ученых-химиков из Стэнфордского университета удалось разработать способ получения водорода из морской воды, которая, кстати, занимает 97% от запасов всей воды на Земле. Результаты своей работы опубликовали в Известиях Национальной академии наук США (PNAS).

Типичный электролизёр состоит из двух электродов – катода и анода, погружённых в электролит и разделённых мембраной. При пропускании электрического на этих электродах выделяются пузырьки газа, на аноде – кислород, на катоде – водород. Для снижения количества электричества, требуемого для разделения молекул вода на водород и кислород, электроды обычно покрывают специальным катализатором.

Электролизёр, разработанный командой из Стэнфорда во многом похож на коммерческие аналоги, только за одним исключением – их устройство может работать с солёной морской водой вместо пресно.

Если немного помните школьный курс химии, то знаете что соль NaCl состоит положительно заряженного атома натрия Na+ и отрицательно заряженного атома хлора Cl-.

Больше всего проблем ученым составлял Cl-, поскольку приводит к быстрой коррозии металлического анода. Соль можно удалить из морской воды с помощью опреснения, но это дорогой и затратный с энергетической точки зрения процесс. Чтобы избежать этапа опреснения, команда учёных разработала специальные электроды, который могут противостоять агрессивном условиях в процессе электролиза морской воды.

Анод, а именно токоприёмник они сделали из пористого никеля, который покрыли дешёвым, но высокоактивным катализатором на основе никеля и железа. Сам катализатор устойчив к коррозии, но нижележащий металлический проводит более активен и быстрее корродирует при контакте с раствором хлорида.

Чтобы решить проблему коррозии учёные нашли способ предотвратить миграцию хлорид-ионов через слой катализатора, тем самым предотвращая их попадание на металл. Хитрость заключалось в добавлении в границу раздела фаза катализатор-металл отрицательно заряженных молекул сульфита и карбоната. Поскольку одинаково заряженные частицы отталкиваются между собой, то эти молекулы сульфита и карбоната будут отталкивать хлор-ионы, тем самым не пропуская их к металлу.

Такой модифицированный анод способен отработать в течение 1000 часов в ходе электролиза морской воды при той же плотности тока, что применяется в коммерческих аппаратах. Ученые попробовали сделать еще более насыщенный растворов соли, где её концентрация была в три разы выше чем в морской воде, в таких условиях анод также отработал 1000 часов.

Чтобы электролиз воды был экологически чистым, энергия для него должна использоваться из возобновляемых источников. Поэтому ученые подключили к электролизёру коммерческую солнечную панель.

Испытания провели прямо на территории кампус Стэнфордского университета под естественным солнечных освещением. Плотность тока, протекающая через электролизёр составила прибл. 1А/см².

Как потом использовать этот самый водород и кислород? – можете
вы спросить. Можно подумать, что сжигать также как и природный газ – но нет. Это не эффективно. Водорода и кислород обратно в электричество преобразуется с помощью водородных топливных элементов (англ., Fuel Cell). КПД таких элементов составляет 50-60%, что почти в 2 разе больше чем КПД двигателя внутреннего сгорания. Водород в них играет роль топлива, а кислород – окислителя. Активное использование водородных топливных элементов позволит стать на шаг ближе внедрению полноценной водородной энергетики.

Вообще, основная концепция водородной энергетики – это использование водорода в качестве аккумулятора энергии. Владельцы солнечных электростанций (даже маломощных) знают, что пик выработки электроэнергии приходится на дневное время, однако пик потребления электроэнергии приходится на вечернее время. Казалось бы есть выход, можно накапливать энергию в аккумуляторных батареях. Да, этот вариант подходит для частных домовладений, но не приемлем, когда речь идет о мега- и гигаваттных солнечных электростанция, поскольку в использовании аккумуляторов есть два главных недоставка. Первое, дороговизна, так
аккумуляторные батареи могут составлять почти 50% стоимости солнечной электростанции. Второе, короткой срок службы, который составляет не более 10 лет.

Поэтому хранение энергии в виде водорода – это весьма перспективная альтернатива аккумуляторам. Избыточную энергию, которые вырабатывают солнечные панели в дневное время можно направить на получение водорода. В вечернее время, водород обратно преобразуется в электричество с помощью топливных элементов. Сказанное хорошо иллюстрирует картинка выше. Получается такой “альтернативный” цикл накопления и преобразования энергии.

Источник

Химики собрали дешевый электролизер на солнечных батареях

Микрофотография наностержней оксида кобальта

Liang et al / ACS Nano, 2020

Американские и китайские химики разработали новый солнечный электролизер — устройство для получения водорода из воды при помощи солнечной энергии. Ученые намеренно отказались от использования дорогостоящих материалов: в основе электролизера — катализаторы из наностержней оксида кобальта и перовскитный солнечный элемент, которые заключены в упаковочную пленку. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород — 6,7 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Один из главных недостатков солнечных элементов — прерывистый характер работы. Мощность, выдаваемая солнечной электростанцией, зависит от сезона, времени суток и погоды. Поэтому для эффективного использования солнечной энергетики нужно научиться запасать энергию в светлое время суток, чтобы затем использовать ее, например, ночью.

Проблему можно решить совмещением двух технологий: фотовольтаики и электрокаталитического получения водорода. В таком устройстве электричество, которое выработала солнечная батарея, сразу же используется для выделения водорода из воды путем электролиза. Далее водород можно использовать для получения электричества в темное время суток, а также хранить и перевозить.

Энергия в таком устройстве преобразуется дважды: сначала энергия падающих фотонов переходит в электрическую энергию, а затем — в энергию химических связей молекулы водорода. Потери происходят на обоих этапах, поэтому эффективность таких устройств пока не очень высока: лучшие показывают эффективность в 16–19 процентов.

Обычно такие устройства изготавливают из кремниевых солнечных элементов, а в качестве катализаторов используют металлы платиновой группы — платину, иридий и рутений — и их соединения. Все эти материалы достаточно дороги, что затрудняет дальнейшее масштабирование солнечно-водородных систем.

Химики под руководством Цзюнь Лоу (Jun Lou) из Университета Райса впервые разработали солнечный электролизер, в котором не используются дорогостоящие материалы: солнечный элемент сделан из свинцово-галогенидного перовскита CH₃NH₃PbI₃, а катализатор для электролиза воды — из наностержней оксида кобальта.

Liang et al / ACS Nano, 2020

Перовскит выбрали еще и потому, что такие элементы демонстрируют более высокие значения напряжения холостого хода, чем кремниевые — в случае электролиза воды это преимущество очень важно. Наностержни оксида кобальта, в свою очередь, — это материал с большой удельной площадью поверхности, который наносят на электроды для улучшения эффективности электролиза.

Наностержни синтезировали гидротермальным методом из раствора нитрата кобальта и мочевины, а затем дополнительно допировали фосфором: для этого их нагрели в печи вместе с гидрофосфатом натрия при 300 градусах Цельсия. Добавка фосфора улучшает электрокаталитическую активность стержней, позволяя проводить электролиз при более низких значениях потенциала.

Авторы намеренно отказались от использования дорогостоящих и редких материалов везде, где это было возможно. Например, в перовскитном солнечном элементе они заменили золотой катод на катод из угля, а также отказались от полимерного слоя между активным слоем и катодом. Этот слой изготавливают из полимера, который пропускает только дырки, но не пропускает электроны. Синтез подобных полимеров очень сложен, поэтому отказ от них делает устройство значительно дешевле.

Кроме того авторы впервые поместили перовскитный солнечный элемент непосредственно в раствор электролита. Это позволило снизить омические потери и добиться лучшей эффективности устройства. Вода для перовскитных солнечных элементов очень опасна — даже небольшие ее количества воды приводят к необратимой деградации таких устройств. Поэтому солнечный элемент нужно было надежно инкапсулировать — здесь авторы тоже не отступили от своих принципов и использовали коммерчески доступную упаковочную пленку Surlyn. Их эксперименты показали, что, нагрев такую пленку до 150 градусов Цельсия в течение нескольких секунд, можно получить полностью герметичное покрытие, которое надежно предохраняет солнечный элемент от влаги.

Эффективность преобразования солнечного света в электричество составила 10,6 процентов, а суммарная эффективность электролизера — 6,7 процентов. Это пока меньше, чем у лучших электролизеров на кремнии и металлах платиновой группы, однако авторы полагают, что в будущем их электролизер можно будет улучшить — например, используя другой состав перовскитного материала или экспериментируя с составом катализатора.

Фотоэлектролиз планируют использовать в том числе для обеспечения энергией космических кораблей. Для этих целей голландские химики разработали и испытали ячейку, которая может работать в условиях микрогравитации.

Источник

Cолнечные панели, способные произвести до 250 литров водорода в день

Ученым из Левенского католического университета, Бельгия, удалось разработать уникальные солнечные панели , которые способны произвести до 250 литров водорода в день, из обычного воздуха! Над этой технологией специалисты трудились более десяти лет.

Их инновационная разработка, полагают специалисты, не только поможет сохранить природу и нашу планету в целом, но и принесет ощутимую выгоду, всем своим обладателям.

Солнечные батареи способны полностью обеспечить энергией частный дом

Професор Йохан Мартенс, руководитель команды ученых, создателей разработки, говорит о ней следующее: «Такие солнечные батареи, в количестве двадцати штук, способны полностью обеспечить среднестатистический частный дом и электроэнергией, и теплом, на целую зиму. Излишки водорода, производимого панелями, можно будет надежно сохранять, и использовать по мере надобности, к примеру, следующей зимой». В целом водород считается горючим и крайне опасным газом. Однако ученые, авторы уникальных панелей из Бельгии полагают, что риск его применения ничуть не выше, чем риск применения привычного всем нам природного газа.

Cолнечные панели будут вырабатывать водород в настоящем жилом доме

В самом начале испытаний солнечные панели вырабатывали лишь минимальные объемы водорода. Но постепенно их производительность росла. В данный момент эта разработка все еще далека от коммерческой выгоды и массового производства. Несмотря на это, готовые батареи совсем скоро будут тестироваться в настоящем жилом доме в Бельгии. Если данный эксперимент будет успешным, как и планируют ученые, подобные испытания будут проводиться еще в 39 соседних домах. Ученым и инженерам пока сложно просчитать, в какую сумму обойдется монтаж солнечно-водородных панелей в обычном доме. Сама модель панелей дорабатывается и совершенствуется. Ее создатели полны оптимизма – в конечном итоге их технология будет и экологической, и экономически выгодной!

Солнечные воронки

А германские учёные разрабатывают «солнечные воронки» — новый тип солнечного концентратора, который может концентрировать свет в любом направлении на небольшой площади, например, на солнечной ячейке. Исследователи говорят, что воронки могут быть настроены на различные длины волн света и наложены друг на друга, что позволяет преобразовать весь спектр света в электричество.

Исследователи отмечают, что концентраторы изготовлены из доступных по цене широко распространённых материалов и могут стать экономически-эффективным «усилителем» для солнечных элементов.

Источник