Масштабируемая фотоэлектрохимическая система для производства зеленого водорода

(а) Концептуальный дизайн nifeooh/ni/fapbi3 на основе фотоанодных ячейки на основе фотоанодов.(б) Экапсулированный реактор PEC на основе All-PSK, изготовленный из повторных мини-модулей (увеличенный рисунок).Кредит: Nature Energy (2024).Doi: 10.1038/s41560-023-01438-x

Исследователи из Ульсанского Национального института науки и технологий (UNIST) недавно решили разработать масштабируемую и эффективную фотоэлектрохимическую (PEC) систему для производства зеленого водорода.Их предлагаемая система, изложенная в Nature Energy, основана на инновационном фотоаноде с винтиком в формах-лидере (FAPBI3), инкапсулированном электрокатализатором Ni FOIL/NIFEOOH.

«Наша группа тщательно изучила проблемы, связанные с практическим производством солнечного водорода»,-заявил Jae Sunge, профессор энергетической и химической инженерии, в Unist и соавторе газеты Jae Sung Lee.«Как обобщено в нашей последней обзорной статье, для разработки жизнеспособной практической системы PEC требуется минимум 10% эффективности солнечного до гидрогена (STH), для которого выбор эффективного материала является первым критерием».

До сих пор большинство попыток реализовать фотоэлектрохимическое производство водорода, используемое внутренне стабильными оксидами металлов в качестве фотоэлектродных материалов клеток PEC.Эти системы, однако, дали эффективность намного ниже, которые необходимы для их практического применения.

Таким образом, некоторые исследователи изучают потенциал фотоэлектродов на основе фотоэлектрических (PV) материалов, таких как кремний, перовскиты, халкогениды и классы материала III-V.Хотя эти материалы известны своей замечательной эффективностью, они иногда могут быть дорогими и нестабильными, особенно если они помещаются в воду, как это было бы, если бы введено в клетках расщепления воды PEC.

«В отличие от других материалов PV, металлические перовскиты (MHP) имеют уникальные характеристики высокой эффективности, но низкую стоимость и могут стать альтернативным фотоэлектродным материалом, если их проблема стабильности будет должным образом решена»,-сказал Ли.«Материалы MHP обладают отличными оптоэлектронными свойствами и настраиваемой полосой полосой, которые желательны, чтобы обеспечить необходимый фототорик и фотоэлектрический лист для разделения воды и продуцировать кислород и водород в одной ячейке PEC».

Чтобы разработать эффективные фотоэлектроды на основе MHP, исследователям сначала пришлось решить решающую задачу, а именно поддержание их стабильности во влажных условиях и при ультрафиолетовом свете.Чтобы достичь этого, они попытались стабилизировать их с помощью металлической инкапсуляции или методов защиты металлов и принятия ультрафиолетового ультрафиолетового перовскита FAPBI3.

«Другой проблемой для практических применений является масштабируемость или, другими словами, поддерживать высокую эффективность лабораторных ячеек (которые составляют <1 см2) в практических крупномасштабных реализациях (1 м2)»,-сказал Ли.«Для нашего исследования мы выбрали наиболее продвинутый материал MHP в эффективности и стабильности (FAPBI3) и инкапсулировали его толстой никелевой фольгой (30 мМ), нанесенной в катализатор NifeOOH для защиты MHP в воде и способствовать реакции эволюции кислорода для расщепления воды,,,,, как”

Исследователи сначала создали небольшую версию предлагаемой системы, основанную на фотоэлектроде ниже 1 см2 размер.В начальных тестах эта система лабораторных масштабов достигла эффективности STH 9,89% и долгосрочной стабильности.

«Затем мы увеличили это устройство небольшой области до практической системы PEC с большой площадью, используя модульную конструкцию»,-сказал Ли.«Мы сделали это, выбрав устройство 7,68 см2 в качестве основного мини-модуля и повторили его горизонтально и вертикально для изготовления устройства большого размера».

Примечательно, что Ли и его коллеги обнаружили, что повышение их системы привело к минимальной потерь эффективности.Кроме того, высококлассная система сохранила свою долгосрочную стабильность, предполагая, что их дизайн очень масштабируется.

«Наша система все-перовскита состоит из фотоанода FAPBI3, который представляет собой тонкую пленку MHP, защищенную с использованием никелевой металлической фольги в качестве слоя инкапсуляции и NifeOOH в качестве слоя катализатора»,-сказал Ли.

«Мы оптимизировали этот фотоанод, используя различные металлические фольги и изучили углубленные взаимодействия катализатора-электролита. Этот фотоанод был соединен параллельно другой тонкой пленке MHP в виде PV в одном реакторе, чтобы генерировать достаточное напряжение (~ 2 В) с расщепленной водой молекулы водой в молекулахв газы O2 и H2. В крупномасштабной системе оба компонента (PhotoAnode и PV) интегрированы в отдельное устройство PEC, чтобы упростить общую систему с помощью модульной конструкции ».

Мини-модуль исследователей по сути состоит из фотоэлектрода и ячейки PV, расположенной в массиве 4 x 4.Их система интегрирует несколько компонентов в одном устройстве PEC, чтобы устранить необходимость в дополнительных компонентах PV.

Этот уникальный дизайн уменьшает сложность их системы и снижает затраты на изготовление.Ли и его коллеги продемонстрировали, что их система сохраняет хорошие результаты, даже когда они развернуты в более широком масштабе, что может облегчить его будущее развертывание в реальном мире.

«Краткосрочная демонстрация нашей масштабируемой системы приведет к практическому применению технологии PEC для производства зеленого водорода в условиях наружных условий»,-добавил Ли.«Мы также планируем дополнительно повысить эффективность и стабильность системы PEC путем интеграции фотоэлектродов и выбора более эффективного и долговечного катализатора. Мы идем [вперед] возможность продемонстрировать систему производства солнечного водорода в пилотном масштабе при естественном солнечном свете, используя нашу технологию. ”

Больше информации: Dharmesh Hansora et al., Основанная на всехперовските.Doi: 10.1038/s41560-023-01438-x