Sztuczny liść automatycznie produkuje wodór

Naukowcy z Rice University opracowali urządzenie automatycznie produkujące wodór. Wystarczy zanurzyć je w wodzie i wystawić na promienie słoneczne. Inspiracją dla tego wydajnego i taniego w produkcji wynalazku było funkcjonowanie liścia, który pod wpływem słońca przetwarza dwutlenek węgla w tlen.
 

Prototyp zespołu kierowanego przez profesora Jun Lou, specjalisty w nanoinżynierii materiałów z Uniwersytetu Rice w Teksasie, integruje elektrody katalityczne i ogniwa słoneczne z perowskitów, które pod wpływem słońca produkują elektryczność. Prąd płynie do katalizatorów, gdzie woda jest rozbijana na wodór i tlen. Wydajność przetwarzania energii słonecznej na wodór w przypadku tego urządzenia osiąga bardzo dobry wynik 6,7%.

Zasada działania liścia

Ten rodzaj katalizatora nie jest nowy, ale nowością jest połączenie warstwy perowskitu z elektrodą w jeden moduł. Kiedy włoży się go do wody w zasięgu promieni słonecznych, urządzenie produkuje wodór bez żadnych dodatkowych ingerencji. Jest to samowystarczalny generator paliwa o prostej konstrukcji i łatwy do masowej produkcji.

„Nasz prototyp przypomina swoją koncepcją sztuczny liść” – powiedział Jun Lou. – „Zintegrowany moduł zamienia światło słoneczne w elektryczność, która wywołuje reakcję elektrochemiczną. Wystarczy słońce i woda, by uzyskać paliwo chemiczne”.

Perowskity i powłoka polimerowa – klucz do sukcesu

Perowskity to kryształy tworzące sześcienne struktury, które przetwarzają energię słoneczną. Najbardziej wydajne perowskitowe ogniwa słoneczne opracowane do tej pory mogą osiągnąć wydajność nawet powyżej 25%, ale materiały do ich produkcji są drogie i wrażliwe na światło, wilgoć i wysokie temperatury.

„Zastąpiliśmy drogie składniki ogniw perowskitowych, m.in. platynę, tańszymi odpowiednikami, jak węgiel” – wyjaśnił szef zespołu. – „To obniża koszty wprowadzenia tej technologii do komercyjnej produkcji. Zintegrowane urządzenia tego rodzaju są obiecujące, bo tworzą zrównoważony, samopodtrzymujący się system. Nie wymagają zewnętrznego źródła energii do działania”.

Naukowcy podkreślają, że kluczowym komponentem ich wynalazku nie jest perowskit, lecz zabezpieczający go polimer, z którego zrobiona jest powłoka modułu. Tworzywo to wydłuża żywotność urządzenia pod wodą. Ustrukturyzowana warstwa polimeru dopuszcza światło słoneczne do ogniwa, jednocześnie zabezpieczając je i służąc za izolator między ogniwem i elektrodą.

„Inne ośrodki badawcze opracowały systemy katalityczne, które łączą za pomocą kabla ogniwa słoneczne znajdujące się poza wodą z zanurzonymi w wodzie elektrodami” – podkreślił Jia Liang, jeden z członków zespołu. – „My uprościliśmy tę konstrukcję, zamykając katalizator i warstwę perowskitową w kapsule z polimeru”.

Gospodarka oparta na wodorze

Prototyp naukowców z Rice University może okazać się kolejnym istotnym elementem obok ogniwa paliwowego i technik produkcji wodoru z wody morskiej, które stworzą warunki do szybkiego rozwoju technologii wodorowych w transporcie, energetyce i innych gałęziach gospodarki. Jest to o tyle istotne, że jak niedawno stwierdziła Unia Europejska oraz rządy wiodących europejskich gospodarek, w tym Niemiec i Szwajcarii, bez wodoru trudno będzie osiągnąć bezemisyjność netto zaplanowaną na 2050 rok.

Do zalet wodoru jako paliwa należy brak emisji gazów cieplarnianych i szkodliwych substancji, jego ogromny potencjał jako magazynu nadwyżek energii oraz czystość i bezemisyjność produkcji, jeśli używa się do niej wody i energii odnawialnej.

Wodór to uniwersalne paliwo, bez którego trudno sobie wyobrazić przestawienie na bezemisyjne technologie ciężki przemysł czy transport. Samochody na wodór to auta elektryczne, których silniki czerpią prąd z ogniw paliwowych, czyli własnych małych elektrowni. W ogniwach w obecności katalizatora zachodzi na zimno reakcja wodoru i tlenu, której produktem jest energia elektryczna oraz woda. Samochody wodorowe są w pełni funkcjonalne i nie różnią się w użytkowaniu od aut spalinowych z automatyczną skrzynią biegów, gdyż tankowanie wodoru trwa kilka minut. Obecnie na rynku oferowane są trzy wodorowe modele osobowe – Toyota Mirai, Hyundai Nexo i Honda Clarity Fuel Cell.

Największym promotorem technologii wodorowych na świecie jest Toyota, która nie tylko opracowała już drugą generację wodorowego sedana Mirai, autobus miejski SORA oraz prototypy ciężarówek na to paliwo, ale także angażuje się w rozwój technologii hybrydowych i potrzebnej infrastruktury na czterech kontynentach, na większości kluczowych rynków. Niedawno Toyota pokazała nawet system do produkcji wodoru z wody morskiej, sprzężony z ogniwami paliwowymi odpornymi na warunki panujące na jachcie oceanicznym. Wyposażony w tę technologię eksperymentalny jacht Energy Observer jest w trakcie podróży dookoła świata. Testowane w tym projekcie rozwiązanie ma ogromne potencjalne znaczenie dla transportu morskiego i środowiska, gdyż statki zużywają ogromne ilości ciężkiego oleju napędowego (mazutu) i bardzo zanieczyszczają wody oraz powietrze.