В мире химии

Фотоэлектрохимическая ячейка сможет расщеплять воду в течение года

26 ноября 2014

Исследователи из США оптимизировали устройство фотоэлектрохимической ячейки [photoelectrochemical cell (PEC)] таким образом, что она сможет непрерывно расщеплять воду на водород кислород в течение 2200 часов – это эквивалентно году непрерывной работы вне помещений.



Изображение системы микропроводов и защитного покрытия, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. (Рисунок из Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c4ee03012e)

Для того, чтобы фотоэлектрохимические ячейки могли стать востребованными на рынке устройств, генерирующих электроэнергию, они должны осуществлять эффективную конверсию солнечную энергию в энергию химическую, не разрушаясь и не понижая эффективности в течение многих лет непрерывной эксплуатации. Тем не менее, большинство электродов фотоэлектрохимических ячеек отличаются таким составом и архитектурой, которые обуславливают легкость их коррозии при контакте с электролитом. Прежние попытки создания фотоэлектрохимических ячеек приводили к тому, что были созданы устройства, которые либо сохраняли устойчивость в течение 4-100 часов, но были неэффективными, либо были способны к эффективной конверсии солнечной энергии, но выходили из строя в течение нескольких минут. Таким образом, ни одна из известных фотоэлектрохимических ячеек пока не может использоваться на практике.

Нестабильность электродов фотоэлектрохимических ячеек особенно проявляется тогда. Когда энергия, требующаяся для возбуждения электрона в ходе реализации фотохимического цикла сравнима с энергией отрыва электрона, требующейся для начала процесса коррозии – в этом случае фотоиндуцированная коррозия конкурирует с процессом расщепления воды. К сожалению, в такой ситуации фотокоррозия оказывается более благоприятной, чем разрушение воды на водород и кислород – вся эта совокупность факторов и приводит к дестабилизации электродов. Исследователям из группы Натана Льюиса (Nathan Lewis) из Калифорнийского технологического института удалось значительно увеличить производительность фотоэлектрохимической ячейки, добившись от нее практически 100%-ной эффективности в выделении кислорода.

Подход, использованный учеными, заключался в увеличении количества областей, проявляющих электрохимическую активность по сравнению с площадью поверхностью электрода. Такой подход удалось осуществить за счет использования систем, представляющих собой наборы кремниевых микропроводов – такая организация позволяет понизить эффективную плотность тока на границе раздела электролит/электрод, увеличивая значение энергии, которая необходима для фотокоррозии, понижая скорость фотокоррозии. Полученные системы также были покрыты защитным проводящим барьером. Все эти мероприятия позволили обеспечить эффективную конверсию солнечного света в электроэнергию в течение более, чем двух тысяч часов непрерывной работы.

Брайан Зегер (Brian Seger), специалист по фотоэлектрохимическим ячейкам из Технического Университета Дании, поясняет, что поскольку при фотолизе воды образуются весьма агрессивные среды, проблема стабильности электродов и их устойчивость к коррозии в таких устройствах является ключевым вопросом, требующим решения. Он добавляет, что факт непрерывного испытания Льюисом новой системы без потери стабильности вполне может говорить о том, что такие проблемы также вполне реально решить.

Источник: Energy Environ. Sci., 2015, DOI: 10.1039/c4ee03012e


метки статьи: новые материалы, топливные элементы, физическая химия, фотохимия, фотокатализ, электрохимия

В мире химии

Другие новости

1 июля 2017 В Белоруссии возросло производство продуктов нефтепереработки

За период с января по апрель текущего года белорусские предприятия нефтеперерабатывающей промышленности резко увеличили объемы производства своей продукции по сравнению с прошлым годом. Как сообщает rccnews.ru, общий объем продукции, произведенной предприятиями этой отрасли за указанное время, оценивается ...


16 мая 2015 Саратов упакуют в краснодарские мешки

Краснодарская компания «Пэра Пластик Групп» (ППГ) планирует построить в Саратовской области завод по производству полипропиленовых мешков, мощностью 30 млн штук в год и стоимостью 5 млн евро. Российские конкуренты ППГ и аналитики считают проект перспективным, в первую очередь, за счет активного роста ...


10 ноября 2016 Органический дайджест 241

В этом номере дайджеста: индикатор для обнаружения нервнопаралитических отравляющих веществ; устойчивые ?-борилальдегиды упрощают синтез малых молекул; масштабированный синтез аксинеламинов; молекулярные весы изменяют прочность взаимодействия алифатических CH с ?-системой и эффективный...