Фотоэлектролиз воды

Фотоэлектролиз воды , также известный как фотоэлектрохимическое расщепление воды , происходит в фотоэлектрохимической ячейке , когда свет используется в качестве источника энергии для электролиза воды, производя дигидроген , который может использоваться в качестве топлива. Этот процесс является одним из путей к « водородной экономике », в которой водородное топливо производится эффективно и недорого из природных источников без использования ископаемого топлива . ^{[1] [2]} Напротив, паровой риформинг обычно или всегда использует ископаемое топливо для получения водорода. Фотоэлектролиз иногда называют в разговорной речи святым Граалем водорода за его потенциал для получения жизнеспособной альтернативы нефти в качестве источника энергии ; такой источник энергии предположительно будет лишен социально-политически нежелательных эффектов добычи и использования нефти.

Механизм

Ячейка PEC в основном состоит из трех компонентов: фотоэлектрода, электролита и противоэлектрода . Полупроводник, играющий решающую роль в этом процессе, поглощает солнечный свет , вызывая возбуждение электронов и последующее расщепление молекулы воды на водород и кислород .

Фотоанодная реакция (выделение кислорода): H2O → 2H++1 2O2+ 2e−

Фотокатодная реакция (выделение водорода): 2H++ 2e− → H2

41598 2017 11971

Эти полуреакции демонстрируют фундаментальную химию фотоэлектролиза, где фотоанод способствует выделению кислорода, а фотокатод поддерживает выделение водорода.

Текущие исследования и технологические достижения

Недавние достижения были сосредоточены на улучшении полупроводниковых материалов и конструкции ячеек для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в водород (STH), которая в настоящее время составляет от 8% до 14%, а теоретический максимум составляет около 42%. ^[3] Инновации включают в себя:

Полупроводниковые материалы: Исследования подчеркивают важность полупроводников с меньшей шириной запрещенной зоны (менее 2,1 эВ), которые более эффективны при использовании более широких спектров света, тем самым повышая эффективность. ^[4]

Сокатализаторы: использование сокатализаторов на основе переходных металлов сыграло решающую роль в улучшении разделения зарядов и снижении перенапряжения, тем самым повышая общую эффективность реакции расщепления воды. ^[5]

Нанопористые материалы: Эти материалы используются для увеличения площади поверхности для переноса электронов, что значительно повышает эффективность фотоэлектрохимических систем. ^[6]

Преимущества: фотоэлектролиз , использующий солнечный свет, служит возобновляемым методом производства водорода , обеспечивая масштабируемость и адаптируемость к различным географическим условиям.

Проблемы: Основные препятствия включают в себя все еще развивающуюся эффективность процесса и прерывистую природу солнечной энергии, что может повлиять на постоянное производство водорода. Кроме того, поиск прочных и эффективных материалов для долгосрочной эксплуатации остается проблемой. ^{[7] [8]}

Роль в водородной экономике

Как часть устойчивой водородной экономики, фотоэлектролиз представляет собой многообещающий путь для производства чистого водорода. Хотя в настоящее время он дороже традиционных методов, таких как паровой риформинг метана, потенциал технологических достижений может сделать его более экономически жизнеспособным. ^[9]

Заключение и перспективы на будущее

Текущее развитие материаловедения и дизайна ячеек, вероятно, повысит жизнеспособность фотоэлектролиза , сделав его ключевым игроком в будущем ландшафте технологий возобновляемой энергии. Продолжение исследований и инвестиций в преодоление существующих проблем будет иметь решающее значение для использования всего потенциала этой технологии.

Также были исследованы устройства на основе гидрогеназы . ^[10]

Смотрите также

• Искусственный фотосинтез
• Электрохемилюминесценция
• Фотоэлектрохимическое восстановление CO ₂
• Фотоэлектрохимия
• Электролиз воды
• Фотокаталитическое расщепление воды

Ссылки

1. Crabtree, GW ; Dresselhaus, MS ; Buchanan, MV (2004). «Водородная экономика». Physics Today . 57 (12): 39–44. Bibcode :2004PhT....57l..39C. doi : 10.1063/1.1878333 . S2CID  28286456.
2. Ropero-Vega, JL; Pedraza-Avella, JA; Niño-Gómez, ME (сентябрь 2015 г.). «Производство водорода фотоэлектролизом водных растворов фенола с использованием смешанных оксидных полупроводниковых пленок Bi–Nb–M–O (M=Al, Fe, Ga, In) в качестве фотоанодов». Catalysis Today . 252 : 150–156. doi :10.1016/j.cattod.2014.11.007.
3. Динсер, Ибрагим (2017). Устойчивое производство водорода. doi : 10.1016/C2014-0-00658-2. ISBN 978-0-12-801563-6.
4. "Последние достижения в области полупроводниковых материалов с малой шириной запрещенной зоны (≤2,1 эВ) для расщепления солнечной воды". Катализаторы, 13, 728". doi : 10.3390/catal13040728 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
5. Кумар (2022). ". Последние тенденции в фотоэлектрохимическом расщеплении воды: роль сокатализаторов". NPG Asia Materials . 14 : 88. Bibcode :2022npjAM..14...88K. doi : 10.1038/s41427-022-00436-x .
6. Шарма. «Обзор дизайна материалов на основе наноструктур для фотоэлектрохимического получения водорода из сточных вод: механизмы библиометрического анализа, перспективы и проблемы». Международный журнал водородной энергетики . doi : 10.1016/j.ijhydene.2023.01.056.
7. Боже. «На пути к водородной инфраструктуре». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
8. Раджайта. «Многофункциональные материалы для фотоэлектрохимического расщепления воды». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
9. Хуан (2023). «Производство водорода методом фотоэлектролиза». Штатив .
10. Паркин, Элисон (2014). "Глава 5. Понимание и использование гидрогеназ, биологических дигидрогенных катализаторов ". В Питере М. Х. Кронеке и Марте Э. Сосе Торрес (ред.). Биогеохимия газообразных соединений, движимая металлами в окружающей среде . Ионы металлов в науках о жизни. Том 14. Springer. С. 99–124. doi :10.1007/978-94-017-9269-1_5. ISBN 978-94-017-9268-4. PMID  25416392.