مهندسان دانشگاه رایس دستگاهی ساخته‌اند که می‌تواند نور خورشید را با کارایی بی‌سابقه‌ای به هیدروژن تبدیل کند. این دستگاه که یک سلول فوتوالکتروشیمیایی است، از نیمه‌هادی هالید پروسکایت و الکتروکاتالیست‌های نسل بعدی استفاده می‌کند...

این دستگاه یک پلتفرم بالقوه برای انجام واکنش‌های شیمیایی با استفاده از انرژی خورشیدی برای تبدیل مواد اولیه به سوخت است.
طبق آنچه در گزارش سایتک‌دیلی آمده، فناوری جدید گامی مهم به جلو برای دستیابی به انرژی پاک است و می‌تواند به عنوان بستری برای طیف وسیعی از واکنش‌های شیمیایی که از الکتریسیته برداشت‌شده از خورشید برای تبدیل مواد اولیه به سوخت استفاده می‌کند، عمل کند.
طراحی فوتورآکتور انقلابی
آزمایشگاه Aditya Mohite، متخصص در مهندسی شیمی و بیومولکولی، پیشرو ساخت این فوتورآکتور یکپارچه بود. یک عنصر کلیدی در طراحی دستگاه، یک مانع ضد خوردگی است که به طور موثر نیمه‌هادی را از آب عایق می‌کند، بدون اینکه مانع انتقال الکترون شود. همانطور که در یک مطالعه منتشر شده در Nature Communications گزارش شده، این دستگاه دارای راندمان تبدیل نور خورشید به هیدروژن 20.8 درصد است.
«آستین فهر»، دانشجوی دکتری مهندسی شیمی و بیومولکولی و یکی از طراحان اصلی این پژوهش، بر اهمیت این دستاورد تاکید کرده و می‌گوید: استفاده از نور خورشید به عنوان منبع انرژی برای تولید مواد شیمیایی یکی از بزرگترین موانع اقتصاد انرژی پاک است. هدف ما ساختن پلتفرم‌های مقرو‌ن به‌صرفه‌ای است که بتواند سوخت‌های خورشیدی تولید کند. در اینجا، ما سیستمی طراحی کردیم که نور را جذب کرده و شیمی الکتروشیمیایی تقسیم آب را روی سطح آن کامل می‌کند.
غلبه بر چالش‌ها با سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی
این دستگاه به عنوان سلول فوتوالکتروشیمیایی شناخته می‌شود، زیرا جذب نور، تبدیل آن به الکتریسیته و استفاده از الکتریسیته برای تامین انرژی یک واکنش شیمیایی در یک دستگاه اتفاق می‌افتد. تا به حال استفاده از فناوری فوتوالکتروشیمیایی برای تولید هیدروژن سبز به دلیل راندمان پایین و هزینه بالای نیمه‌هادی‌ها با مشکل مواجه بود.
فهر درباره تمایز این اختراع با موارد مشابه توضیح داد: همه دستگاه‌های مشابه، فقط با استفاده از نور خورشید و آب، هیدروژن سبز تولید می‌کنند، اما دستگاه ما استثنایی است زیرا راندمان رکوردشکنی دارد و از نیمه‌هادی بسیار ارزان استفاده می‌کند.
نوآوری و چشم‌اندازهای آینده
آزمایشگاه Mohite و همکارانش این دستگاه را با تبدیل سلول خورشیدی بسیار رقابتی خود به رآکتوری ساختند که می‌تواند از انرژی برداشت‌شده برای تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده کند. چالشی که آنها باید بر آن غلبه می‌کردند، این بود که پروسکایت‌های هالید در آب بسیار ناپایدار هستند و پوشش‌هایی که برای عایق‌سازی نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شد، یا عملکرد آنها را مختل می‌کرد یا به آنها آسیب می‌رساند.
مایکل وونگ، مهندس شیمی رایس و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «در دو سال گذشته، ما مواد و تکنیک‌های مختلف را امتحان کرده‌ایم.»
پس از اینکه آزمایشات طولانی نتوانست نتیجه مطلوب را به همراه داشته باشد، سرانجام محققان به یک راه حل برنده دست یافتند.
فهر گفت: «بینش کلیدی ما این بود که شما به دو لایه برای سد نیاز داشتید؛ یکی برای مسدود کردن آب و دیگری برای برقراری تماس الکتریکی خوب بین لایه‌های پروسکایت و لایه محافظ. نتایج ما بالاترین بازدهی برای سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی بدون غلظت خورشیدی و در مجموع بهترین برای آنهایی است که از نیمه‌هادی‌های پروسکایت هالید استفاده می‌کنند.»
این محقق افزود: «این اولین مورد برای میدانی است که در طول تاریخ تحت تسلط نیمه‌هادی‌های بسیار گران‌قیمت بوده و ممکن است برای اولین‌بار مسیری برای امکان‌سنجی تجاری و تولید انبوه برای این نوع دستگاه باشد.»
آزمایشگاه Mohite اعلام کرد: «ما امیدواریم که چنین سیستم‌هایی به عنوان یک پلتفرم برای هدایت طیف گسترده‌ای از الکترون‌ها به واکنش‌های تشکیل‌دهنده سوخت با استفاده از مواد اولیه فراوان و تنها با نور خورشید به عنوان ورودی انرژی عمل کنند.»
فهر افزود: «با بهبودهای بیشتر در پایداری و مقیاس، این فناوری می‌تواند صفحه جدیدی در تاریخ اقتصاد انرژی باز کند و نحوه مصرف انسان را از سوخت فسیلی به سوخت خورشیدی تغییر دهد.»