حلول طاقة أكثر استدامة.. محفزات ضوئية هجينة جديدة لتقسيم المياه بكفاءة كمية داخلية تزيد عن 100%

نظرًا لأن الهيدروجين الموجود داخل خلايا الوقود يمكن أن يولد طاقة كهربائية، فإن الطرق القابلة للتطوير لتقسيم الماء بشكل موثوق به إلى هيدروجين وأكسجين يمكن أن يكون لها آثار قيمة على صناعة الطاقة.

يمكن أن تساعد هذه الأساليب في إنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين لحلول طاقة أكثر استدامة، مما يساعد على تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري على الأرض.

تتطلب إحدى الطرق لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين استخدام محفزات ضوئية، وهي مواد يمكنها امتصاص الضوء واستخدام طاقته لبدء التفاعلات الكيميائية، يستلزم هذا النهج بشكل أساسي تشعيع هذه المواد بالضوء، مما يؤدي إلى التفاعل الذي تتحول من خلاله جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.

قدم باحثون في جامعة نورث وسترن بوليتكنيكال في الصين مؤخرًا محفزات ضوئية هجينة جديدة تُظهر كفاءة كمية داخلية ملحوظة تزيد عن 100٪، تم العثور على هذه المواد ، التي تم تقديمها في ورقة بحثية في Nature Energy ، للتغلب على بعض أوجه القصور في أنظمة التحفيز الضوئي المقترحة سابقًا لعمليات تقسيم المياه.

كما قال الدكتور Xuanhua Li ، أحد الباحثين الذين أجروا الدراسة، أخبر Tech Xplore، “على مدى العقد الماضي، قام الباحثون بالعديد من المحاولات لتحقيق كفاءة من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين بأكثر من 10٪، وهي كفاءة مرجعية تنافسية في سوق الهيدروجين”، “لتحقيق هذا الهدف، يجب أن تصل كفاءة الكم الداخلية (نسبة عدد الفوتونات الساقطة الممتصة إلى ضعف كمية الهيدروجين المنتجة) للمحفز الضوئي أثناء تفاعل تقسيم الماء التحفيزي الضوئي إلى قيمة عالية إلى حد ما (من الناحية المثالية> 100٪) مجموعة واسعة من أطوال موجات الإثارة”.

حاولت العديد من الدراسات السابقة ابتكار استراتيجيات مفيدة لتحسين الكفاءة الكمية للمحفزات الضوئية والأجهزة الكهروضوئية ، حيث أن معظم الكفاءات التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لم تكن كافية لتمكين الاستخدام الواسع النطاق لعمليات تقسيم المياه. تعمل إحدى الإستراتيجيات التي وُجدت واعدة بشكل خاص على تعزيز ما يسمى بتأثير توليد الإكسيتون المتعدد (MEG) ، حيث تمتص نقطة كمية من البلورة النانوية فوتونًا واحدًا لتوليد إكسيتونات متعددة.

وأوضح الدكتور لي: “على سبيل المثال، أظهرت إحدى الدراسات أن الكفاءة الكمية للبلورات النانوية التي تحتوي على الرصاص والملح تزداد خطيًا تقريبًا مع طاقة الفوتون المضخة وتظهر كفاءة كمومية قصوى تصل إلى 700٪”، “كما هو موضح في الأعمال السابقة، يمكن أن يؤدي ترسيب النقاط الكمومية PbS أعلى أكسيد القصدير المشبع بالفلور / TiO2 عبر نهج طبقة تلو طبقة إلى تحقيق معدل ذكاء يتجاوز 100٪ في الخلايا الكهروكيميائية لتوليد الهيدروجين. مقارنة بالكهرباء الكهروضوئية الأجهزة ، ومع ذلك ، لا تزال العروض التوضيحية لتأثير MEG نادرة في نظام تقسيم المياه التحفيزي الضوئي الجسيمي بسبب عملية إضافة الطاقة الكهربائية إلى طاقة الهيدروجين”.

حلاً قابلاً للتطبيق لإنتاج الهيدروجين

كان الهدف الرئيسي للعمل الأخير للدكتور لي وزملائه هو تصميم محفزات ضوئية جديدة لتقسيم المياه بكفاءة باستخدام تأثير MEG، كان أملهم أن تتجاوز الكفاءة الكمية الداخلية لهذه المواد 100%، مما يجعلها حلاً قابلاً للتطبيق لإنتاج الهيدروجين القابل للتطوير.

لبناء هذه المحفزات الضوئية الفعالة، كان على الباحثين بناء مجال كهربائي داخلي قوي داخلي وحالة محاصرة بينية. وهذا بدوره يوفر قوة دافعة كافية لهم لاستخدام تأثير توليد الإكسيتون المتعدد (MEG) في تقسيم الماء المحفز ضوئيًا.

قال الدكتور لي : “لقد طورنا محفزات ضوئية هجينة تشتمل على نقاط كمية CdTe و V-doped في 2 S 3 (CdTe / V-In 2 S 3 )”. “على وجه التحديد ، تؤدي زيادة حجم النقطة الكمومية ومحتوى V-dopant إلى انخفاض في مستوى Fermi للنقاط الكمومية CdTe وزيادة في مستوى V-In 2 S 3 ، مما يؤدي إلى زيادة اختلاف مستوى Fermi وبالتالي زيادة 14.14 أضعاف في شدة المجال الكهربائي المدمج في واجهة CdTe / V-In 2 S 3. وفي الوقت نفسه، حالة بينية تتكون من مداري في 5s و S 3p عند CdTe / V-In 2 S 3ولدت واجهة “.

ينتج عن إثارة نقطة الكم CdTe في المحفز الضوئي للفريق أثناء عملية التحفيز الضوئي توليد إلكترون ساخن وثقب. مدفوعًا بالمجال الكهربائي المدمج في المواد ، يتم نقل الإلكترون الساخن في نطاق التوصيل لنقطة الكم CdTe من CdTe إلى V-In 2 S 3 وفي النهاية محاصر في واجهة CdTe / V-In 2 S 3 ، في حالة بينية تتكون من مداري في 5s و S 3p .

أعلى قيمة بين المحفزات الضوئية

قال د. لي، “على عكس المحفز الضوئي التقليدي ، فإن المجال الكهربائي المدمج القوي والحالة البينية في واجهة CdTe / V-In 2 S 3 تبطئ معدل استرخاء الإلكترونات الساخنة، مما يتيح للإلكترونات الساخنة ذات الطاقة الزائدة الكافية الخضوع لـ MEG” ، “في النهاية، يُظهر المحفز الضوئي كفاءة كمومية داخلية تبلغ حوالي 114٪ بطول موجة إثارة يبلغ 350 نانومتر، وهي على حد علمنا أعلى قيمة بين المحفزات الضوئية المُبلغ عنها لتقسيم المياه بشكل عام. الدولة ، يمهد الطريق للاستخدام الفعال لـ MEG في فصل الماء التحفيزي الضوئي”.

في التقييمات الأولية ، حققت المحفزات الضوئية الهجينة التي صممها هذا الفريق من الباحثين نتائج واعدة للغاية ، حيث أظهرت كفاءة كمومية داخلية أعلى من جميع المحفزات الضوئية المقترحة سابقًا لتقسيم الماء. في المستقبل ، يمكن أن يمهد هذا العمل الأخير الطريق لتنفيذ واسع النطاق لتقسيم المياه الضوئية.

تطوير مواد وحلول إضافية ذات كفاءة عالية

تفتح استراتيجية التصميم التي قدمها الدكتور لي وزملاؤه أيضًا إمكانيات جديدة لتصميم أجهزة التحفيز الضوئي التي تعمل في نظام MEG، قد يؤدي هذا قريبًا إلى تطوير مواد وحلول إضافية ذات كفاءة عالية متزايدة في الكم والطاقة الشمسية إلى الهيدروجين ، والتي يمكن أن تعزز استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين.

وأضاف الدكتور لي : “تجدر الإشارة إلى أن القدرة التحفيزية الكلية لتقسيم الماء لـ CdTe / V-In 2 S 3 قد تكون محدودة بسبب المنافسة على امتصاص الضوء بين V-In 2 S 3 ونقاط الكم CdTe”، يعد تحقيق كفاءة كمومية عالية على نطاق واسع من الأطوال الموجية أمرًا حاسمًا من أجل 1 تعزيز التطبيق العملي لهذه التكنولوجيا، ولتعزيز هذا البحث، نهدف إلى تطوير محفزات ضوئية أكثر كفاءة مع شدة مجال كهربائي مضمنة أكبر وحالات بينية متعددة لنطاق التكافؤ  مثل بناء هيكل جانوس “.

في دراساتهم التالية ، يخطط الدكتور لي وزملاؤه أيضًا لإنشاء تقاطعات غير متجانسة جديدة غير MEG / MEG مع نطاق امتصاص واسع، من خلال الجمع بين مكونات MEG التكميلية ذات الطول الموجي ومكونات غير MEG ، فإنهم يأملون في زيادة تحسين الأداء العام للمحفزات الضوئية.

تابعنا على تطبيق نبض