เซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตไฮโดรเจนเลียนแบบการสังเคราะห์ด้วยแสง

ทีมงานอิสระสองทีมได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติเพื่อพัฒนาวิธีที่ดียิ่งขึ้นในการผลิตไฮโดรเจนด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ ทีมแรกจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนในสหรัฐอเมริกา ทำลายสถิติประสิทธิภาพของพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนได้มากกว่า 9% โดยใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาอินเดียมแกลเลียมไนไตรด์ (InGaN) ทีมที่สองจาก EPFL ในประเทศสวิสเซอร์แลนด์

ได้สร้างอิเล็กโทรด

การแพร่ก๊าซแบบโปร่งแสงที่มีรูพรุนชนิดใหม่ที่ดึงน้ำจากอากาศและเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนเมื่อสัมผัสกับแสงแดด โดยหลักการแล้วทั้งสองเทคโนโลยีสามารถจัดหาไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและกระบวนการทางอุตสาหกรรมด้วยวิธีที่ “เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม” โดยไม่จำเป็นต้องใช้สารตั้งต้น

จากเชื้อเพลิงฟอสซิลในการแยกน้ำด้วยแสงอาทิตย์ด้วยโฟโตคะทาไลติก นักวิทยาศาสตร์ใช้พลังงานจากแสงแดดเพื่อแยกน้ำออกเป็นองค์ประกอบต่างๆ ของน้ำ ได้แก่ ออกซิเจนและไฮโดรเจน กระบวนการนี้เลียนแบบขั้นตอนสำคัญในการสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติ และอาจเป็นวิธีการผลิตพลังงาน

ที่สะอาดและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ปัญหาคือประสิทธิภาพของกระบวนการจากแสงอาทิตย์สู่ไฮโดรเจน (STH) นั้นต่ำมาก ทำให้ไม่ประหยัดเมื่อเทียบกับวิธีที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในการผลิตไฮโดรเจนปริมาณมากที่จำเป็นสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมต่างๆ

ประสิทธิภาพ 9.2%ที่มิชิแกนและเพื่อนร่วมงานใช้ส่วนที่มองเห็นได้ของรังสีอัลตราไวโอเลตในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์เพื่อถ่ายภาพเซมิคอนดักเตอร์ InGaN ทำให้เกิดอิเล็กตรอนและ “รู” (บริเวณที่มีประจุบวก) ที่สามารถแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน จากนั้น นักวิจัยใช้ส่วนอินฟราเรด

ของแสงแดดเพื่อให้ความร้อนแก่ระบบปฏิกิริยาที่อุณหภูมิประมาณ 70 องศาเซลเซียส การให้ความร้อนนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อสร้างน้ำ ซึ่งเป็น “ปฏิกิริยาย้อนกลับ” หลักในการแยกน้ำและเป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญในประสิทธิภาพของSTHผลลัพธ์ของกลยุทธ์นี้

คือประสิทธิภาพ 

ประมาณ 7% สำหรับน้ำประปาและน้ำทะเล และ 6.2% ในระบบแยกน้ำต้นแบบด้วยโฟโตคะตาไลติกขนาดใหญ่ที่ตั้งอยู่กลางแจ้ง ภายในอาคาร ระบบมีประสิทธิภาพ 9.2% – สูงกว่าการทดลองการแยกน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ในประเภทเดียวกันก่อนหน้านี้ถึง 10 เท่า

อุปกรณ์ที่ทีมงานอธิบายไว้นั้นมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูงและความเข้มของแสงเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์ 160 ดวง “โดยหลักการแล้ว เทคโนโลยีนี้สามารถจัดหาไฮโดรเจนสำหรับสถานีเซลล์เชื้อเพลิงและกระบวนการทางอุตสาหกรรมใดๆ ที่ต้องใช้ไฮโดรเจน” “ข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครของแนวทางนี้

คือการสร้างไฮโดรเจนแบบกระจาย เมื่อเทียบกับกระบวนการปฏิรูปไอน้ำมีเทนแบบรวมศูนย์แบบเดิม ซึ่งช่วยลดต้นทุนที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งไฮโดรเจนได้อย่างมาก”เหมือนใบไม้เทียมอิเล็กโทรดการแพร่กระจายของก๊าซที่ผลิตและเพื่อนร่วมงานในทีม EPFL นั้นขึ้นอยู่กับเส้นใยควอตซ์ 

ทีมงานได้เคลือบพื้นผิวที่มีรูพรุนโปร่งใสด้วยฟิล์มบางโปร่งใสของสารไวแสง ดีบุกออกไซด์เจือด้วยฟลูออรีน ในกระบวนการสะสมไอเคมีในชั้นบรรยากาศเป็นเวลา 10 นาทีที่อุณหภูมิ 600 องศาเซลเซียส ด้วยโมโนบิวทิลติน ไตรคลอไรด์และกรดไตรฟลูออโรอะซิติก

โครงสร้างที่ผลิตขึ้นจึงมีรูพรุนถึง 90% ทำให้สัมผัสกับไอน้ำในอากาศได้ในปริมาณสูงสุด และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีที่ 20 ± 3 Ω sq −1 นอกจากนี้ยังโปร่งใสทำให้แสงผ่านสารกึ่งตัวนำที่เคลือบได้เมื่อสัมผัสกับแสงแดด อุปกรณ์นี้จะทำงานเหมือนใบไม้เทียม เก็บเกี่ยวน้ำจากอากาศ 

และใช้แสงแดด

เพื่อผลิตพลังงาน (ในกรณีนี้คือในรูปของก๊าซไฮโดรเจน) พลังงานจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ถูกเก็บไว้ในพันธะไฮโดรเจน คล้ายกับวิธีที่พืชปล่อยพลังงานไว้ในพันธะเคมีของน้ำตาลและแป้งที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเทคโนโลยีสามารถเก็บเกี่ยวความชื้นจากอากาศ

นักวิจัย ซึ่งให้รายละเอียดเกี่ยวกับงานของพวกเขารับทราบว่าประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนของอุปกรณ์โฟโตอิเล็กโทรเคมี (PEC) ของพวกเขานั้นค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มประสิทธิภาพนี้ไม่ใช่เป้าหมายของการศึกษาของพวกเขา และสมาชิกในทีมชี้ให้เห็นว่า

ต้นแบบของทีม EPFL มีความเสถียรเพียงประมาณหนึ่งชั่วโมงภายใต้แสงสว่างหนึ่งดวง ซึ่ง Sivula กล่าวว่า “จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง” เพื่อให้อุปกรณ์ใช้งานได้จริง แอปพลิเคชั่นหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับสิ่งนี้อาจอยู่ในเซลล์ PEC ซึ่งใช้แสงที่ตกกระทบเพื่อกระตุ้น วัสดุที่ไวต่อแสง 

เช่น สารกึ่งตัวนำที่แช่อยู่ในสารละลายของเหลว เป้าหมายในกรณีนี้คือเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเคมี แต่กระบวนการนี้มีข้อเสียบางประการ อย่างหนึ่งคือการผลิตอุปกรณ์ PEC ในพื้นที่ขนาดใหญ่ที่ใช้สารละลายดังกล่าวมีความซับซ้อน ผลงานชิ้นใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยี PEC 

ความทรงจำเกี่ยวกับความล้มเหลวที่มีค่าใช้จ่ายสูงยังคงหลงเหลืออยู่ ในปี 1993 ถูกยกเลิกในระหว่างการก่อสร้างหลังจากที่ต้นทุนของมันพุ่งสูงถึง 11 พันล้านเหรียญสหรัฐ โฆษกของ DOE กล่าวว่าสหรัฐฯ กำลังก้าวถอยหลังครั้งใหญ่ หากไม่เข้าร่วมในเครื่อง ในอนาคต สมาชิกวุฒิสภาจะประชุม

กับสภาผู้แทนราษฎรในเดือนนี้เพื่อตกลงงบประมาณ สภาได้ผ่านร่างกฎหมายที่ไม่ตัดเงินวิจัย กล่าวว่าชาวอเมริกันกำลังทำงานอย่างหนักเพื่อประหยัด โดยประเมินว่าค่าใช้จ่ายอาจลดลง 20% จากนั้น เขาหวังว่าจะสามารถส่งข้อเสนออย่างเป็นทางการสำหรับ NLC/JLC ไปยังรัฐบาลที่เข้าร่วมได้ภายในเวลาประมาณสามปี แผนคือการก่อสร้างจะเริ่มขึ้นไม่นานหลังจากการยื่นเสนอครั้งนี้ 

Credit : ฝากถอนไม่มีขั้นต่ำ