Австралийские
материаловеды научились эффективно
получать
водород из воды без
использования дорогостоящих
полупроводниковых материалов.
Они использовали фотокатод из
текстурированного
кремния и
соединили его с широкозонным перовскитным
солнечным элементом, расположив солнечные
элементы друг под другом. Эффективность
преобразования солнечной энергии в
водород составила
17,6 процентов.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Advanced
Energy Materials.
Использование
солнечной
энергии
для получения водорода из воды
— технология, которая в перспективе
позволит решить две проблемы одновременно:
запасание нестабильной солнечной
энергии впрок и получение экологически
чистого топлива с
высокой плотностью энергии.
Для
выхода
на рынок такие преобразователи должны
показывать эффективность не менее 20
процентов, при стоимости водорода не
выше 4
долларов за
килограмм.
Использовать
солнечную энергию для получения водорода
можно несколькими способами.
В
фотовольтаических преобразователях
солнечный элемент соединен с ячейкой
для электролиза, и солнечный свет
преобразуется в электроэнергию,
которая
расходуется
на электролиз
водных
растворов
с образованием водорода и кислорода на
электрокатализаторах.
В
фотоэлектрохимических преобразователях
один или оба электрода состоят из
полупроводниковых материалов. При
облучении светом в полупроводнике
образуются электроны и дырки, которые
напрямую участвуют в реакциях образования
водорода и кислорода.
Считается,
что фотоэлектрохимические преобразователи
в перспективе будут дешевле (в них
используются более дешевые катализаторы),
но есть у таких устройств и серьезный
недостаток.
Дело
в том, что лучше
всего для получения водорода подходят
полупроводники с шириной запрещенной
зоны около 2 электрон-вольт.
Однако,
такой
полупроводник поглощает только самую
коротковолновую (высокоэнергетическую)
часть солнечного
излучения,
поэтому общая
эффективность
устройств априори
будет
невысока.
Для
преодоления этой проблемы можно соединить
фотоэлектрод с солнечным элементом —
то есть по сути объединить фотовольтаический
и фотоэлектрохимический преобразователь
в одном устройстве.
В
этом случае солнечный
элемент обеспечивает ток
и напряжение
смещения, и
эффективность преобразования возрастает.
Ученым
удалось
получить тандемный фотоэлектрохимический преобразователь
на основе арсенида галлия
с
эфективностью
19 процентов.
Но из-за высокой стоимости арсенида
галлия
такие преобразователи не подходят для
промышленного использования.
Материаловеды под руководством Шивы Кришны Карутури (Siva Krishna Karuturi) и Хепина Шэня (Heping Shen) из Австралийского Национального Университета разработали тандемный фотоэлектрохимический преобразователь без использования арсенида галлия и других дорогостоящих полупроводников. Фотокатод они сделали из кремния n-типа с поверхностью, текстурированной в виде пирамид — это улучшает поглощение света и увеличивает площадь соприкосновения с раствором электролита. На сторону электрода, которая была погружена в раствор, нанесли тонкий слой платинового катализатора, а на противоположную сторону, которая поглощала солнечный свет — противоотражательное покрытие из нитрида кремния и металлические контакты. Когда такой кремниевый фотокатод поглощает солнечное излучение, в его зоне проводимости генерируются электроны, которые затем реагируют с катионами Н+, восстанавливая их до молекулярного водорода.
Кремниевый фотокатод был соединен с солнечным элементом на основе недорогого и простого в получении перовскитного полупроводника. Элементы были расположены в виде тандема (друг под другом) — сначала солнечный луч проходит сквозь полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с большей шириной запрещенной зоны, а затем через кремниевый. Перовскит поглощает фотоны с высокой энергией и пропускает фотоны с низкой энергией, которые потом поглощаются в кремниевом полупроводнике. Тандемная конфигурация позволяет максимально использовать освещаемую солнцем площадь — это важно для промышленного применения солнечных модулей. Конструкция таких солнечных элементов требует соблюдения дополнительных условий: в частности, надо правильно подобрать толщину и значение запрещенной зоны перовскита, чтобы кремниевый элемент получил достаточно излучения и на нем образовалось достаточно электронов и дырок. Если бы авторы не соблюдали это условие и расположили перовскитный и кремниевый элементы рядом, им было бы проще добиться высокой эффективности, но при промышленном использовании такая ячейка заняла бы вдвое больше освещаемого солнцем места, то есть фактически ее эффективность надо было бы разделить на два.Для того, чтобы добиться оптимальной эффективности, авторы испробовали несколько перовскитных материалов разного состава и с разными значениями запрещенной зоны и остановились на широкозонном смешанном перовските Cs
Rb
FA
MA
PbI
Br
Благодаря большой величине запрещенной зоны перовскита (1,75 электрон-вольт), на расположенный под ним кремниевый солнечный элемент попадало больше фотонов, и фототок на нем был на 29 процентов выше, чем в случае стандартного перовскита с запрещенной зоной около 1,4 электрон-вольт.
Общая эффективность преобразования солнечной энергии в энергию водородного топлива составила 17,6 процента, устройства выдерживали трое суток непрерывного облучения солнцем. Такие показатели — большой шаг вперед для перовскитных фотоэлектрохимических преобразователей: ранее такие устройства не демонстрировали эффективность выше 10 процентов.
В дальнейшем авторы работы собираются заменить платиновый катализатор на более дешевый аналог. Теоретическое моделирование, которое они провели, показывает, что фотоэлектрохимический преобразователь может достичь эффективности в 20 процентов даже без платинового катализатора. Для этого нужно повысить фактор заполнения перовскитного солнечного элемента — параметр, который характеризует качество солнечного элемента, в частности вклад омических потерь — с 67 до 80 процентов. Стандартные (неширокозонные) перовскитные солнечные элементы с таким фактором заполнения уже удавалось получить нескольким коллективам ученых, поэтому можно ожидать, что и для широкозонных перовскитов это значение скоро будет достигнуто.
Два месяца назад американские и китайские химики разработали прототип электролизера, который вообще не содержит дорогих материалов. Авторы отказались не только от катализатора из металлов платиновой группы (вместо них использовали наностержни оксида кобальта), но и от полимерных транспортных слоев в перовскитном солнечном элементе, а для инкапсуляции использовали коммерческую упаковочную пленку. Правда эффективность такого устройства была невысокой — 6,7 процентов.
Наталия Самойлова
Скорлупа семян этого дерева — самый устойчивый к растрескиванию природный материал
Скорлупа семян гинкго лучше всех природных материалов сопротивляется появлению трещин. Китайские ученые выяснили, что эту сопротивляемость скорлупе обеспечивает спиралевидная микроструктура стенок склереид, мертвых клеток, из которых построена скорлупа. Такое строение позволяет эффективно перераспределяет механическое напряжение между соседними склереидами. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Образование и развитие трещины в материале зависит от многих параметров, в том числе от микроструктуры материала. Например, если в нем есть вторая более мягкая и вязкая фаза (матрица), это тормозит рост трещин, снижая механическое напряжение. А вот в мелкозернистых материалах без матрицы трещина наоборот может дробиться и развиваться, наталкиваясь на каждое новое зерно. Чтобы выяснить, как повысить устойчивость к трещинам, ученые изучают природные материалы. Например, древесина хорошо сопротивляется трещинам, если напряжение приложено перпендикулярно волокнам (топор рубит стоящее дерево). Однако, если напряжение приложено параллельно волокнам, все ровно наоборот — трещина распространяется быстро, и ее ничто не тормозит. Китайские материаловеды под руководством Цюня Фэна Чэна (Qunfeng Cheng) из Бэйханского Университета заинтересовались еще одним природным материалом — скорлупой семян гинкго. У нее один из самых высоких среди природных материалов коэффициент вязкости разрушения — этот параметр описывает, какое механическое напряжение в материале надо создать, чтобы рост трещины стал быстрым и неограниченным. При этом анизотропии, как в случае древесины, не наблюдается, то есть скорлупа гинкго сопротивляется трещинам одинаково по всем направлениям. Гинкго двулопастный (Ginkgo bilоba) — последний представитель рода Гинкго, листопадных голосеменных реликтовых растений. Семена вырастают до 1-2 сантиметров, формой напоминают косточку абрикоса. Скорлупа семян имеет толщину порядка миллиметра и состоит из многоугольных склереид (мертвых клеток), прочно скрепленных друг с другом. Они расположены слоями, относительно хаотично, каждая склереида соприкасается примерно с пятью-шестью соседними. Стенки склереид построены из целлюлозных волокон толщиной 5-7 нанометров, которые находятся в матрице более мягкого лигнина и гемицеллюлозы. Чэн и его коллеги изучили скорлупу гинкго методом рентгеновской микротомографии с синхротронным источником и выяснили, что форма склереид существенно меняется при движении от внутренней поверхности скорлупы к внешней. Можно выделить три области: во внутренней части (36 процентов толщины) склереиды имеют соотношение длина-ширина около 5,3, в средней (55 процентов толщины) это соотношение равно 3,2, а во внешней (9 процентов толщины) склереиды расположены не так плотно, и сам материал скорлупы более пористый. Авторы предположили, что внешняя пористая часть почти не вносит своего вклада в прочность и сопротивление трещинам, и сосредоточились на внутренней и средней областях. Более подробный анализ стенок склереид показал, что волокна целлюлозы в них расположены по спирали. При этом соседние склереиды оказываются тесно связаны, так как, утолщаясь, стенки закручиваются друг вокруг друга. Между соседним склереидами формируются спиралевидные каналы. Пока семя растет и его скорлупа становится толще, эти каналы используются для транспорта воды и питательных веществ. Чэн и его коллеги предположили, что каналы такой формы развились у гинкго в том числе для повышения прочности и сопротивляемости трещинам. Склереиды, попавшие «под удар» частично проворачиваются и через каналы передают часть напряжения соседним. Они тоже частично проворачиваются и, в свою очередь, делятся напряжением со своими соседями. Передача может происходить по всем трем направлениям, как в рамках одного слоя, так и вглубь слоев к более толстым склереидам. В результате напряжение гасится и распространение трещины замедляется. Чэн и его коллеги надеются, что описанный механизм блокирования трещин можно будет воспроизвести и в искусственных материалах. Делать рукотворные материалы похожими на природные умеют многие ученые. Например, на прошлой неделе мы писали, как канадские материаловеды вдохновились текстурой перьев пингвина и создали водоотталкивающее антиобледенительное покрытие из стальной сетки. А два года назад китайская группа разработала композитный материал из целлюлозы и слюды, который по своей структуре напоминает слоистый перламутр. Композит оказался устойчив к механическим нагрузкам и нагреванию, но в тоже время пластичен.