Исследователи описали свои результаты в двух исследованиях, опубликованных в этом месяце в журналах Science Advances и Nature Communications.Водородное топливоВодородное топливо долго рекламировалось как чистая альтернатива бензину.
Автомобилестроители начали предлагать автомобили на водородном топливе американским потребителям в прошлом году, но только горстка продала, главным образом потому что станции дозаправки водорода немногочисленны.«Миллионы автомобилей могли быть приведены в действие чистым водородным топливом, если бы это было дешево и широко доступно», сказал И Цуй, адъюнкт-профессор материаловедения и разработки в Стэнфорде.В отличие от приведенных в действие бензином транспортных средств, которые выделяют углекислый газ (CO2), сами водородные автомобили – бесплатная эмиссия.
Создание водородного топлива, однако, не является бесплатной эмиссией: сегодня, создание большей части водородного топлива вовлекает природный газ в процесс, который выпускает CO2 в атмосферу.Чтобы решить проблему, Цуй и его коллеги сосредоточились на фотогальваническом водном разделении. Эта появляющаяся технология состоит из электрода на солнечной энергии, погруженного в воду.
Когда солнечный свет поражает электрод, он производит электрический ток, который разделяет воду на ее составные части, водород и кислород.Нахождение доступного способа произвести чистый водород из воды было проблемой. Обычные солнечные электроды, сделанные из кремния быстро, разъедают, когда выставлено кислороду, ключевому побочному продукту водного разделения. Несколько исследовательских групп уменьшили коррозию покрытием кремний с иридием и другими драгоценными металлами.
Сочиняя в выпуске 17 июня Научных Достижений, Цуй и его коллеги представили новый подход, используя висмут vanadate, недорогой комплекс, который поглощает солнечный свет и производит скромные суммы электричества.«Висмут vanadate широко рассматривался как многообещающий материал для фотоэлектрохимического водного разделения, частично из-за его низкой стоимости и высокой стабильности против коррозии», сказал Цуй, адъюнкт-профессор науки фотона в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Однако исполнение этого материала остается значительно ниже его теоретической солнечной к водороду конверсионной эффективности».Висмут vanadate поглощает свет, но является бедным проводником электричества. Чтобы нести ток, солнечная батарея, сделанная из висмута vanadate, должна быть нарезана очень тонкая, 200 миллимикронов или меньше, делая его фактически прозрачным.
В результате видимый свет, который мог использоваться, чтобы произвести электричество просто, проходит через клетку.Захватить солнечный свет, прежде чем это убежит, команда Цуя, превращенная к нанотехнологиям. Исследователи создали микроскопические множества, содержащие тысячи кремниевых наноконусов, каждый приблизительно 600 миллимикронов высотой.«Структуры наноконуса показали многообещающую заманивающую в ловушку свет способность в широком диапазоне длин волны», объяснил Цуй. «Каждый конус оптимально сформирован, чтобы захватить солнечный свет, который иначе прошел бы через тонкую солнечную батарею».
В эксперименте Цуй и его коллеги внесли множества наноконуса на тонкой пленке висмута vanadate. Оба слоя были тогда помещены в солнечную батарею, сделанную из перовскита, другого многообещающего фотогальванического материала.Когда погружено, тандемное устройство с тремя слоями немедленно начало разделять воду в солнечной к водороду конверсионной эффективности 6,2 процентов, уже соответствуя теоретическому максимальному уровню для висмута vanadate клетка.«Тандемная солнечная батарея продолжала производить водород больше 10 часов, признака хорошей стабильности», сказал Цуй, научный руководитель в Стэнфордском Институте энергетических Наук и Материалов. «Хотя эффективность, которую мы продемонстрировали, составляла только 6,2 процентов, наше тандемное устройство имеет пространство для существенного улучшения в будущем».
Перезаряжающаяся цинковая батареяВо втором исследовании, опубликованном в выпуске 6 июня Коммуникаций Природы, Цуй и Шоуго Хигэши, приглашенный ученый из Toyota Central R&D Labs Inc., предложили новый дизайн батареи, который мог помочь решить проблему аккумулирования энергии масштаба сетки.«Солнечные и ветровые фермы должны быть в состоянии обеспечить круглосуточную энергию для электрической сетки, даже когда нет никакого солнечного света или ветра», сказал Цуй. «Это потребует, чтобы недорогие батареи и другие недорогие технологии, достаточно большие, сохранили избыточную экологически чистую энергию для использования по требованию».В исследовании Цуй, Хигаси и их коллегах проектировал новую батарею с электродами, сделанными из цинка и никеля, недорогих металлов с потенциалом для хранения масштаба сетки.
Множество металлических цинком батарей доступно коммерчески, но немногие перезаряжающиеся из-за крошечных волокон, названных дендритами, которые формируются на цинковом электроде во время зарядки. Дендриты тезисов могут вырасти, пока они наконец не достигают электрода никеля, заставляя батарею сорвать и потерпеть неудачу.Исследовательская группа решила древовидную проблему, просто перепроектировав батарею.
Вместо того, чтобы иметь электроды цинка и никеля стоят друг перед другом, поскольку в обычной батарее, исследователи отделили их пластмассовым изолятором и обернули углеродный изолятор вокруг краев цинкового электрода.«С нашим дизайном цинковые ионы уменьшены и депонированы на выставленной задней поверхности цинкового электрода во время зарядки», заявили Хигаси, ведущий автор исследования. «Поэтому, даже если цинковые дендриты сформируются, они отдалятся от электрода никеля и не закоротят батарею».Продемонстрировать стабильность, исследователи, успешно обвиненные и, освободило от обязательств батарею больше чем 800 раз без закорачивания.
«Наш дизайн очень прост и мог быть применен к широкому спектру металлических батарей», сказал Цуй.