أخبارابتكارات ومبادرات

تطوير محفزا ضوئيا خال من الرصاص يوفر تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين بكفاءة عالية

توليد الهيدروجين الكهروضوئي عالي الأداء نتيجة النقل الفعال للشحنة

يمثل تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة هيدروجين تقنية واعدة وخضراء لمعالجة نقص الطاقة وتقليل انبعاثات الوقود الأحفوري.

طور فريق بحثي م مؤخرًا محفزًا ضوئيًا خالٍ من الرصاص من البيروفسكايت يوفر تحويلًا عالي الكفاءة للطاقة الشمسية إلى الهيدروجين، حيث نشرت نتائج البحث في مجلة Small Methods.

الأهم من ذلك، أنهم كشفوا عن الديناميكيات البينية للواجهات البينية للصلب الصلب (بين جزيئات هاليد بيروفسكايت) والصلبة السائلة (بين هاليد بيروفسكايت وإلكتروليت) أثناء إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي الكهروضوئي . تفتح أحدث النتائج طريقًا لتطوير طريقة أكثر كفاءة تعمل بالطاقة الشمسية لإنتاج وقود الهيدروجين في المستقبل.

يعتبر الهيدروجين بديلاً أفضل وأكثر واعدة للطاقة المتجددة نظرًا لوفرة الطاقة وكثافة الطاقة العالية والصداقة البيئية.

بصرف النظر عن تقسيم الماء الكهروكيميائي، هناك طريقة أخرى واعدة لإنتاج الهيدروجين عن طريق فصل حمض الهيدروليك باستخدام محفزات ضوئية تعمل بالطاقة الشمسية. لكن الاستقرار طويل المدى للمحفزات الضوئية يمثل تحديًا بالغ الأهمية، حيث أن معظم المحفزات المصنوعة من أكاسيد الفلزات الانتقالية أو المعدن تكون غير مستقرة في ظل الظروف الحمضية.

بديلاً غير سام ومستقر كيميائيًا لتطبيقات الوقود الشمسي

أوضح الدكتور سام هسو هسين يي، الأستاذ المساعد في كلية الطاقة والبيئة وقسم علوم وهندسة المواد في CityU: “تُستخدم مادة البيروفسكايت الهجينة القائمة على الرصاص للتغلب على مشكلة الاستقرار هذه، ولكن قابلية الذوبان العالية في الماء وسمية الرصاص تحد من إمكانية استخدامها على نطاق واسع”، مضيفا  “على النقيض من ذلك ، تم التأكد من أن البيروفسكايت القائم على البزموت يوفر بديلاً غير سام ومستقر كيميائيًا لتطبيقات الوقود الشمسي ، لكن كفاءة التحفيز الضوئي بحاجة إلى التعزيز.”

بدافع تصميم محفز ضوئي فعال ومستقر ، طور الدكتور هسو ومعاونوه مؤخرًا مادة هاليد بيروفسكايت تعتمد على البزموت مع هيكل من قمع فجوة الحزمة لنقل حامل الشحنة بكفاءة عالية. إنه بيروفسكايت مختلط هاليد ، حيث يتناقص توزيع أيونات اليوديد تدريجيًا من السطح إلى الداخل، مكونًا بنية قمع ذات فجوة الحزمة، والتي تعزز نقل الشحنة المستحث بالصور من الداخل إلى السطح من أجل تفاعل الأكسدة والاختزال الضوئي الفعال. .

يتميز هذا البيروفسكايت المصمم حديثًا بكفاءة عالية في تحويل الطاقة الشمسية، حيث يُظهر معدل توليد هيدروجين محسّنًا يصل إلى حوالي 341 ± 61.7 ميكرولتر ساعة مع محفز مساعد من البلاتين تحت إشعاع الضوء المرئي.

لكن فريق الدكتور هسو لم يتوقف عند هذا الحد، قال الدكتور هسو: “أردنا استكشاف التفاعلات الديناميكية بين جزيئات الهاليد بيروفسكايت وتلك الموجودة على السطح البيني بين القطب الكهروضوئي والإلكتروليت ، والتي ظلت غير معروفة”، مضيفا “نظرًا لأن إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي يتضمن عملية تحفيزية ، يمكن تحقيق توليد الهيدروجين عالي الفعالية عن طريق امتصاص الضوء المكثف باستخدام أشباه الموصلات كمحفز ضوئي بهيكل نطاق طاقة مناسب وفصل فعال للشحن ، يتم تسهيله بواسطة مجال كهربائي خارجي يتكون بالقرب من سائل أشباه الموصلات واجهه المستخدم.”

توليد الهيدروجين الكهروضوئي عالي الأداء

لاكتشاف ديناميكيات نقل الإكسيتون ، استخدم الفريق اللمعان الضوئي المعتمد على درجة الحرارة والمحلول الزمني لتحليل نقل الطاقة لأزواج ثقب الإلكترون بين جزيئات البيروفسكايت. قاموا أيضًا بتقييم معامل الانتشار وثابت معدل نقل الإلكترون لمواد هاليد بيروفسكايت في المحلول لتوضيح فعالية نقل الإلكترون من خلال السطوح البينية الصلبة والسائلة بين القطب الكهروضوئي القائم على البيروفسكايت والإلكتروليت.

قال الدكتور هسو: “لقد أوضحنا كيف يمكن لمحفزنا الضوئي المصمم حديثًا أن يحقق بشكل فعال توليد الهيدروجين الكهروضوئي عالي الأداء نتيجة النقل الفعال للشحنة”.

في التجربة ، أثبت الفريق أيضًا أن تحويل البيروفسكايت المهيكل ذو فجوة الحزمة له عملية فصل ونقل شحن أكثر كفاءة بين واجهة القطب الكهربائي والإلكتروليت.

يمكن أن يؤدي فصل الشحنة المحسّن إلى هجرة ناقلات الشحنة إلى سطح هاليد بيروفسكايت المترسبة على الزجاج الموصّل مثل القطب الكهروضوئي ، مما يسمح بنشاط كهروكيميائي أسرع على سطح القطب الكهروضوئي. وبالتالي ، فإن نقل الشحنة الفعال داخل قمع البيروفسكايت المهيكل ذو فجوة الحزمة أظهر كثافة تيار ضوئي محسّنة تحت إشعاع خفيف.

وأوضح الدكتور هسو أن “الكشف عن الديناميكيات البينية لهذه المواد الجديدة أثناء عملية توليد الهيدروجين الكهروكيميائي الكهروضوئي يعد إنجازًا مهمًا”. “يمكن للفهم المتعمق للتفاعلات البينية بين الهاليد بيروفسكايت والإلكتروليتات السائلة أن يبني أساسًا علميًا للباحثين في هذا المجال لمزيد من البحث في تطوير مواد بديلة ومفيدة لإنتاج الهيدروجين المستحث بالطاقة الشمسية.”

تابعنا على تطبيق نبض

Comments

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
%d مدونون معجبون بهذه: