Prototyp "sztucznego liścia" opracowany przez zespół naukowców z uniwersytetu Rice w Teksasie integruje elektrody katalityczne i ogniwa słoneczne z perowskitów, które pod wpływem słońca produkują elektryczność. Prąd płynie do katalizatorów, gdzie woda jest rozbijana na wodór i tlen. Twórcy podkreślają, że wydajność przetwarzania energii słonecznej na wodór w przypadku tego rozwiązania osiąga bardzo dobry wynik 6,7 proc.

Reklama

Zasada działania

Ten rodzaj katalizatora nie jest nowy, ale nowością jest połączenie warstwy perowskitu z elektrodą w jeden moduł, który twórcy określają "źródłem wiecznej energii". Kiedy włoży się go do wody w zasięgu promieni słonecznych, urządzenie produkuje wodór bez żadnych dodatkowych ingerencji. W ocenie uczonych jest to samowystarczalny generator paliwa o prostej konstrukcji i łatwy do masowej produkcji.

– Nasz prototyp przypomina swoją koncepcją sztuczny liść powiedział prof. Jun Lou, specjalista w dziedzinie nanoinżynierii materiałów i szef zespołu badaczy. – Zintegrowany moduł zamienia światło słoneczne w elektryczność, która wywołuje reakcję elektrochemiczną. Wystarczy słońce i woda, by uzyskać paliwo chemiczne wyjaśnił.

Sztuczny liść z USA / Materiały prasowe

Perowskity i powłoka polimerowa

Perowskity to kryształy tworzące sześcienne struktury, które przetwarzają energię słoneczną. Opracowane do tej pory najbardziej efektywne perowskitowe ogniwa słoneczne mogą osiągnąć wydajność nawet powyżej 25 proc., ale materiały do ich produkcji są kosztowne i wrażliwe na światło, wilgoć i wysokie temperatury.

– Drogie składniki ogniw perowskitowych m.in. platynę, zastąpiliśmy tańszymi odpowiednikami, jak węgiel – wyjaśnił Lou. – To obniża koszty wprowadzenia tej technologii do komercyjnej produkcji. Zintegrowane urządzenia tego rodzaju są obiecujące, bo tworzą zrównoważony, samopodtrzymujący się system. Nie wymagają zewnętrznego źródła energii do działania – wskazał.

Uczeni podkreślają, że kluczowym komponentem ich wynalazku nie jest perowskit, lecz zabezpieczający go polimer, z którego zrobiono powłokę modułu. Tworzywo to wydłuża żywotność urządzenia pod wodą. Ustrukturyzowana warstwa polimeru dopuszcza światło słoneczne do ogniwa, jednocześnie zabezpieczając je i służąc za izolator między ogniwem i elektrodą.

– Inne ośrodki badawcze opracowały systemy katalityczne, które łączą za pomocą kabla ogniwa słoneczne znajdujące się poza wodą z zanurzonymi w wodzie elektrodami – podkreślił Jia Liang, jeden z członków zespołu. – My uprościliśmy tę konstrukcję, zamykając katalizator i warstwę perowskitową w kapsule z polimeru – wyjaśnił.

Nie można wykluczyć, że prototyp naukowców z Teksasu okaże się kolejnym istotnym elementem w rozwoju technologii wodorowych na potrzeby transportu, energetyki i innych gałęzi. Szczególnie, że według decydentów UE oraz rządów wiodących europejskich gospodarek, w tym Niemiec i Szwajcarii, bez wodoru trudno będzie osiągnąć bezemisyjność netto zaplanowaną na 2050 rok.

Technologia ogniw fotowoltaicznych z perowskitu znalazła też zastosowanie w… budownictwie. Skanska prowadziła pilotażowy program pokrywania nimi m.in. fasad budynków czy ekranów akustycznych.

Eksperci wśród zalet wodoru jako paliwa wskazują brak emisji gazów cieplarnianych i szkodliwych substancji, jego ogromny potencjał jako magazynu nadwyżek energii oraz czystość produkcji, jeśli używa się do niej wody i energii odnawialnej. Katamaran Energy Observer to pierwsza wodorowa łódź, która wypłynęła w podróż dookoła świata / Materiały prasowe

Wodór jako paliwo może sprawdzić się w przemyśle ciężkim i transporcie. Przykładowo Toyota pokazała niedawno system do jego produkcji z wody morskiej, sprzężony z ogniwami paliwowymi odpornymi na warunki panujące na jachcie oceanicznym. Wyposażony w tę technologię eksperymentalny katamaran Energy Observer jest w trakcie podróży dookoła świata. Testowane w tym projekcie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w transporcie morskim i ulżyć środowisku – statki zużywając ogromne ilości ciężkiego oleju napędowego (mazutu) przyczyniają się do zanieczyszczania wody oraz powietrza.

Toyota Mirai II w Europie ma debiutować w 2020 roku. Inżynierowie twierdzą, że przeprojektowany system ogniw paliwowych oraz zestaw 3 zbiorników wodoru zwiększają zasięg auta o 30 proc. w porównaniu do modelu pierwszej generacji. A to może oznaczać, że japoński samochód pokona od 650 do ponad 910 km za jednym tankowaniem / Toyota
Reklama

Z kolei samochody na wodór to auta elektryczne, których silniki czerpią prąd z ogniw paliwowych (pokładowych elektrowni). W ogniwach w obecności katalizatora zachodzi na zimno reakcja wodoru i tlenu, której produktem jest energia elektryczna oraz woda. Pod względem funkcjonalności takie auta nie ustępują spalinowym odpowiednikom, tankowanie wodoru trwa kilka minut. Problemem może być infrastruktura takich stacji, choć i tu niebawem może się coś zmienić na lepsze. Przypominamy, że pod koniec 2019 roku Lotos dogadał się z Toyotą. Koncern z Gdańska jako pierwszy nad Wisłą miał wyprodukować wodór o bardzo wysokiej czystości. A producent samochodów przyczynić się m.in. do wybudowania w 2021 roku stacji tankownia tego paliwa. Deklaracje padły jednak jeszcze przed wybuchem zarazy koronawirusa… Dziś na rynku dostępne są trzy samochody osobowe wykorzystujące wodór: Toyota Mirai (II generacja tego auta ma debiutować w Europie w 2020 roku), SUV Hyundai Nexo i Honda Clarity Fuel Cell. Nad ogniwami wodorowymi pracowały też m.in. BMW, Mercedes czy Audi.

Pilot balonu Bertrand Piccard przejechał dystans 778 km Hyundaiem Nexo, ustanawiając rekord świata dystansu pokonanego na jednym tankowaniu samochodu zasilanego wodorem. Pozostały zasięg wyświetlany na liczniku: 49 km / Hyundai / ULISONNTAG