Datblygiad arloesol mewn ffotolysis solar o ddŵr ar gyfer cynhyrchu hydrogen

Mae cyflwyno strategaethau "uchafbwynt carbon" a "carbon niwtral" wedi arwain at ostyngiad mewn allyriadau carbon, gyda hydrogen yn opsiwn deniadol fel tanwydd glân. Ar y llaw arall, mae angen hydrogen hefyd ar gyfer llawer o brosesau cemegol, megis cynhyrchu gwrtaith. Fodd bynnag, ar hyn o bryd mae hydrogen yn cael ei sicrhau'n bennaf trwy drawsnewid dŵr a nwy, proses sydd nid yn unig yn cynhyrchu allyriadau carbon mawr ond hefyd yn defnyddio llawer iawn o ynni thermol.

Mae ffotosynthesis naturiol (planhigion sy'n defnyddio golau'r haul i gael atomau hydrogen o ddŵr) yn hysbys iawn, ond a oes techneg "ffotosynthesis artiffisial" i gael hydrogen? Mae cynhyrchu hydrogen ffotocatalytig yn seiliedig ar hydrolysis llwyr yn dechnoleg gynaliadwy a chyfeillgar i'r amgylchedd sy'n defnyddio golau haul a dŵr yn unig ac nid yw'n cynhyrchu unrhyw allyriadau carbon, a dyna pam ei fod yn denu llawer o sylw ar hyn o bryd. Fodd bynnag, mae effeithlonrwydd trosi solar isel i hydrogen (STH) THMs ffotocatalytig cyfredol yn cyfyngu ar eu cymhwysiad ymarferol.

Gyda hyn mewn golwg, mae tîm yr Athro Yonezawa ym Mhrifysgol Michigan wedi datblygu strategaeth i gyflawni effeithlonrwydd STH o hyd at 9.2 y cant gan ddefnyddio dŵr pur, golau haul crynodedig a ffotocatalyst indium gallium nitride, sy'n dynwared y camau allweddol mewn ffotosynthesis naturiol. Mae arbrofion awyr agored yn dangos ei fod yn gam mawr ymlaen i'r dechnoleg, gan ei bod bron i 10 gwaith yn fwy effeithlon nag arbrofion hollti dŵr solar tebyg. Yn benodol, mae'r ymchwilwyr wedi dangos bod y dadelfennu cyfanswm dŵr ffotocatalytig ar arwynebau InGaN/GaN nid yn unig yn hyrwyddo'r adwaith dadelfennu dŵr ymlaen ond hefyd yn atal yr adwaith cymhlethdod hydrogen-ocsigen gwrthdro trwy'r effaith thermol isgoch a gynhyrchir gan olau haul â ffocws dwysedd uchel, gan alluogi'r InGaN nanowires i arddangos effeithlonrwydd ffotocatalytig hynod o uchel o ran dadelfennu cyfanswm dŵr. Cyhoeddwyd canlyniadau'r ymchwil yn y rhifyn diweddaraf o Nature o dan y teitl "Effeithlonrwydd solar-i-hydrogen o fwy na 9 y cant mewn hollti dŵr ffotocatalytig".

Cyflawnodd yr ymchwilwyr effeithlonrwydd STH uchel o 9.2 y cant gan ddefnyddio dŵr pur, golau haul crynodedig a ffotocatalyst indium gallium nitride. Mae llwyddiant y strategaeth yn y papur hwn yn deillio o effaith synergaidd hyrwyddo esblygiad hydrogen-ocsigen ymlaen ac atal ailgyfuniad hydrogen-ocsigen gwrthdro, y gellir ei gyflawni trwy weithredu ar y tymheredd adwaith gorau posibl (~70 gradd Celsius), yn uniongyrchol trwy gynaeafu o'r blaen. gwastraffu golau isgoch o olau'r haul. Ar ben hynny, arweiniodd y strategaeth hon sy'n dibynnu ar dymheredd hefyd at effeithlonrwydd STH o ~7 y cant o ddŵr tap a dŵr môr sydd ar gael yn eang, a 6.2 y cant mewn system wahanu dŵr ffotocatalytig fawr gyda chynhwysedd golau solar naturiol o 25 7W. Mae'r ymchwil hwn yn darparu dull ymarferol o gynhyrchu tanwydd hydrogen yn effeithlon o olau haul naturiol a dŵr, gan oresgyn tagfa effeithlonrwydd cynhyrchu hydrogen solar.