Новости химической науки > Фотоэлектрохимическая ячейка сможет расщеплять воду в течение года

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