إذا تم تحقيق ذلك باستخدام الطاقة الشمسية أو غيرها من مصادر الطاقة المتجددة، فقد يكون تقسيم المياه طريقة واعدة لإنتاج الهيدروجين (H 2 ) بشكل مستدام على نطاق واسع، ومع ذلك، فقد تبين أن معظم أنظمة تقسيم المياه الكهروكيميائية الضوئية المقترحة حتى الآن إما غير فعالة، أو غير مستقرة، أو صعبة التنفيذ على نطاق واسع.
بدأ الباحثون في معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) مؤخرًا في تطوير نظام كهروكيميائي ضوئي قابل للتطوير وفعال لإنتاج الهيدروجين الأخضر، يعتمد نظامهم المقترح الموضح في Nature Energy، على ثلاثي يوديد الرصاص الفورميدينيوم المبتكر (FAPbI 3 ) القائم على البيروفسكايت، وهو مغلف بواسطة محفز كهربائي Nifil/NiFeOOH.
دراسة شاملة للتحديات
وقال جاي سونج لي، أستاذ الطاقة والهندسة الكيميائية في جامعة UNIST والمؤلف المشارك للورقة البحثية، لـ Tech Xplore: “لقد قامت مجموعتنا بدراسة شاملة للتحديات المرتبطة بإنتاج الهيدروجين الشمسي العملي”، “كما تم تلخيصه في أحدث ورقة مراجعة لدينا، فإن الحد الأدنى من كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين (STH) هو 10% مطلوب لتطوير نظام PEC عملي وقابل للتطبيق، والذي يعد اختيار مادة فعالة هو المعيار الأول له.”
حتى الآن، استخدمت معظم المحاولات لتحقيق إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي الضوئي أكاسيد فلزية مستقرة جوهريًا كمواد إلكترودات ضوئية لخلايا PEC. ومع ذلك، فقد حققت هذه الأنظمة كفاءات أقل بكثير من تلك اللازمة لتطبيقها العملي.
إمكانات الأقطاب الكهربائية الضوئية
وبالتالي، قام بعض الباحثين باستكشاف إمكانات الأقطاب الكهربائية الضوئية القائمة على مواد من الدرجة الكهروضوئية، مثل السيليكون والبيروفسكايت والكالكوجينيدات وفئات المواد III-V، في حين أن هذه المواد معروفة بكفاءتها الرائعة، إلا أنها قد تكون في بعض الأحيان باهظة الثمن وغير مستقرة، خاصة إذا تم وضعها في الماء، كما يحدث إذا تم إدخالها في خلايا تقسيم الماء PEC .
وقال لي: “على عكس المواد الكهروضوئية الأخرى، تتمتع البيروفسكايت الهاليد المعدني (MHP) بخصائص فريدة من نوعها ذات كفاءة عالية ولكن بتكلفة منخفضة ويمكن أن تصبح مادة كهروضوئية بديلة إذا تمت معالجة مشكلة استقرارها بشكل صحيح”، “تتمتع مواد MHP بخصائص إلكترونية بصرية ممتازة وفجوة نطاق قابلة للضبط وهي مطلوبة لتوفير التيار الكهروضوئي والجهد الضوئي اللازم لتقسيم الماء وإنتاج الأكسجين والهيدروجين في خلية PEC واحدة”.
استخدام تقنيات التغليف المعدني
لابتكار أقطاب كهربائية ضوئية فعالة تعتمد على MHPs، كان على الباحثين أولاً أن يواجهوا تحديًا حاسمًا، ألا وهو الحفاظ على استقرارها في الظروف الرطبة، وتحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية، ولتحقيق ذلك، حاولوا تثبيتها باستخدام تقنيات التغليف المعدني أو حماية المعادن، ومن خلال اعتماد FAPbI 3 perovskite المستقر للأشعة فوق البنفسجية.
وقال لي : “التحدي الآخر الذي يواجه التطبيقات العملية هو قابلية التوسع، أو بعبارة أخرى، الحفاظ على الكفاءة العالية للخلايا المختبرية (التي تكون أقل من 1 سم 2) في التطبيقات العملية واسعة النطاق (1 م 2 )”، “في دراستنا، اخترنا مادة MHP الأكثر تقدمًا من حيث الكفاءة والثبات (FAPbI 3 ) وقمنا بتغليفها برقائق نيكل سميكة (30 مم) مرسبة بمحفز NiFeOOH لحماية MHP في الماء وتعزيز تفاعل تطور الأكسجين لتقسيم الماء”.
قام الباحثون أولاً بإنشاء نسخة صغيرة الحجم من نظامهم المقترح، استنادًا إلى قطب كهربائي ضوئي يقل حجمه عن 1 سم 2، في الاختبارات الأولية، حقق هذا النظام المعملي كفاءة STH بنسبة 9.89% واستقرارًا طويل المدى.
وقال لي: “لقد قمنا بعد ذلك بتوسيع نطاق هذا الجهاز ذو المساحة الصغيرة ليصبح نظام PEC عمليًا بمساحة كبيرة باستخدام تصميم قائم على الوحدة”، “لقد فعلنا ذلك عن طريق اختيار جهاز مقاس 7.68 سم 2 كوحدة أساسية صغيرة وكررناه أفقيًا وعموديًا لتصنيع جهاز كبير الحجم”.
استخدام رقائق معدن النيكل كطبقة تغليف
ومن اللافت للنظر أن لي وزملائه وجدوا أن رفع مستوى نظامهم لم يؤدي إلا إلى الحد الأدنى من فقدان الكفاءة، بالإضافة إلى ذلك، حافظ النظام الذي تمت ترقيته على استقراره على المدى الطويل، مما يشير إلى أن تصميمه قابل للتطوير بشكل كبير.
وقال لي: “يتكون نظام PEC المكون من البيروفسكايت بالكامل من الرمز الضوئي FAPbI 3 ، وهو عبارة عن طبقة رقيقة من MHP محمية باستخدام رقائق معدن النيكل كطبقة تغليف وNiFeOOH كطبقة محفزة عليها”.
وأضاف “لقد قمنا بتحسين هذا الأنود الضوئي باستخدام رقائق معدنية مختلفة ودرسنا التفاعلات المتعمقة بين المحفز والكهارل، تم توصيل هذا الأنود الضوئي بالتوازي مع طبقة رقيقة أخرى من MHP مثل الكهروضوئية في مفاعل واحد لتوليد جهد كافي (~ 2 فولت) لتقسيم جزيئات الماء إلى غازات O 2 وH 2، في نظام واسع النطاق، يتم دمج كلا المكونين (الأنود الضوئي والكهروضوئي) في جهاز PEC واحد لتبسيط النظام الإجمالي من خلال تصميم معياري”.
تتكون الوحدة المصغرة للباحثين بشكل أساسي من قطب كهربائي ضوئي وخلية وحدة كهروضوئية، مرتبة في مصفوفة 4 × 4، يدمج نظامهم مكونات متعددة في جهاز PEC واحد للتخلص من الحاجة إلى مكونات كهروضوئية إضافية.
يقلل من تكاليف التصنيع
يقلل هذا التصميم الفريد من تعقيد نظامهم، ويقلل من تكاليف التصنيع، أظهر لي وزملاؤه أن نظامهم يحتفظ بأداء جيد حتى عند نشره على نطاق أوسع، مما قد يسهل نشره في العالم الحقيقي في المستقبل.
وأضاف لي: “إن العرض قصير المدى لنظامنا القابل للتطوير سيؤدي إلى التطبيق العملي لتقنية PEC لإنتاج الهيدروجين الأخضر في الظروف الخارجية”، “نحن نخطط أيضًا لزيادة تحسين كفاءة واستقرار نظام PEC من خلال دمج الأقطاب الكهربائية الضوئية واختيار محفز أكثر كفاءة ومتانة، ونحن نتطلع إلى الفرصة لعرض نظام إنتاج الهيدروجين الشمسي على نطاق تجريبي تحت ضوء الشمس الطبيعي باستخدام تقنيتنا”.
