희박한 공기에서 태양 연료를 향한 발걸음 - ScienceDaily

공기에서 물을 수확하고 전적으로 태양 에너지로 구동되는 수소 연료를 제공할 수 있는 장치는 수십 년 동안 연구원들의 꿈이었습니다. 이제 EPFL 화학 엔지니어 Kevin Sivula와 그의 팀은 이 비전을 현실에 더 가깝게 만드는 중요한 단계를 밟았습니다. 그들은 반도체 기반 기술을 두 가지 주요 특성을 가진 새로운 전극과 결합하는 독창적이지만 단순한 시스템을 개발했습니다. 반도체 코팅의 햇빛 노출을 최대화하기 위해 투명합니다. 장치가 단순히 햇빛에 노출되면 공기에서 물을 가져와 수소 가스를 생성합니다. 결과는 2023년 1월 4일에 게시됩니다. 고급 재료.

새로운 기능 투명하고 다공성이며 전도성이 있는 새로운 가스 확산 전극으로 공기에서 가스 상태의 물을 수소 연료로 바꾸는 태양열 기술을 가능하게 합니다.

“지속가능한 사회를 구현하기 위해서는 재생에너지를 산업계의 연료 및 원료로 사용할 수 있는 화학물질로 저장하는 방법이 필요합니다. “라고 EPFL의 광전자 나노물질 분자 공학 연구소의 Sivula와 이 연구의 수석 연구원은 말합니다.

식물의 잎에서 영감을 얻다

재생 가능한 화석 연료가 없는 연료에 대한 연구에서 EPFL 엔지니어는 Toyota Motor Europe과 협력하여 식물이 공기 중의 이산화탄소를 사용하여 햇빛을 화학 에너지로 전환할 수 있는 방식에서 영감을 얻었습니다. 식물은 본질적으로 환경에서 이산화탄소와 물을 수확하고 햇빛으로부터 추가 에너지를 얻으면 이러한 분자를 광합성으로 알려진 과정인 당과 전분으로 변환할 수 있습니다. 햇빛의 에너지는 당과 전분 내부의 화학 결합 형태로 저장됩니다.

Sivula와 그의 팀이 개발한 투명 가스 확산 전극은 빛을 수확하는 반도체 물질로 코팅했을 때 실제로 인공 잎처럼 작용하여 공기와 햇빛에서 물을 수확하여 수소 가스를 생성합니다. 햇빛의 에너지는 수소 결합의 형태로 저장됩니다.

햇빛에 불투명한 전통적인 층으로 전극을 구축하는 대신 기판은 실제로 펠트 유리 섬유의 3차원 메시입니다.

이 작업의 수석 저자인 Marina Caretti는 “투명 가스 확산 전극이 이전에 시연되지 않았기 때문에 시제품 장치를 개발하는 것이 어려웠고 각 단계마다 새로운 절차를 개발해야 했습니다. 그러나 각 단계는 비교적 간단하고 우리의 접근 방식은 태양광 구동 수소 생산을 위한 가스 확산 기판에서 시작하여 광범위한 응용 분야에 대한 새로운 지평을 열 것이라고 생각합니다.”

액체 상태의 물에서 공기 중의 습도까지

Sivula와 다른 연구 그룹은 이전에 광전기화학(PEC) 전지라는 장치를 사용하여 액체 물과 햇빛으로부터 수소 연료를 생성함으로써 인공 광합성을 수행할 수 있음을 보여주었습니다. PEC 셀은 일반적으로 입사광을 이용하여 반도체와 같은 감광성 물질을 자극하는 장치로 알려져 있습니다. 액체 해결책 화학 반응을 일으키기 위해. 그러나 실용적인 목적을 위해 이 프로세스에는 단점이 있습니다. 예를 들어 액체를 사용하는 대면적 PEC 장치를 만드는 것이 복잡합니다.

Sivula는 PEC 기술이 대신 공기로부터 습기를 수확하는 데 적응할 수 있음을 보여주고 싶었고, 이를 통해 새로운 가스 확산 전극을 개발할 수 있었습니다. 전기화학 전지(예: 연료 전지)는 이미 액체 대신 기체로 작동하는 것으로 나타났지만 이전에 사용된 기체 확산 전극은 불투명하고 태양열 PEC 기술과 호환되지 않습니다.

이제 연구원들은 시스템 최적화에 노력을 집중하고 있습니다. 이상적인 섬유 크기는 무엇입니까? 이상적인 모공 크기는? 이상적인 반도체 및 막 재료? 이는 이 기술을 발전시키고 수소를 액체 연료로 전환하는 새로운 방법을 개발하는 데 전념하는 EU 프로젝트 “Sun-to-X”에서 추구하고 있는 질문입니다.

투명한 가스 확산 전극 만들기

투명한 가스 확산 전극을 만들기 위해 연구원들은 본질적으로 석영(산화규소라고도 함) 섬유인 유리솜 유형으로 시작하여 고온에서 섬유를 함께 융합하여 펠트 웨이퍼로 가공합니다. 다음으로 웨이퍼는 우수한 전도성, 견고성 및 확장 용이성으로 알려진 불소 도핑 주석 산화물의 투명 박막으로 코팅됩니다. 이러한 첫 번째 단계는 공기 중의 물 분자와의 접촉을 최대화하고 광자를 통과시키는 데 필수적인 투명하고 다공성이며 전도성인 웨이퍼를 만듭니다. 그런 다음 웨이퍼는 이번에는 햇빛을 흡수하는 반도체 재료의 박막으로 다시 코팅됩니다. 이 두 번째 얇은 코팅은 여전히 ​​빛을 통과시키지만 다공성 기질의 넓은 표면적 때문에 불투명하게 보입니다. 그대로, 이 코팅된 웨이퍼는 일단 햇빛에 노출되면 이미 수소 연료를 생산할 수 있습니다.

과학자들은 계속해서 코팅된 웨이퍼를 포함하는 작은 챔버와 측정을 위해 생성된 수소 가스를 분리하기 위한 멤브레인을 구축했습니다. 챔버가 습한 조건에서 햇빛에 노출되면 수소 가스가 생성되어 과학자들이 설정한 것을 달성하여 태양열 수소 가스 생산을 위한 투명한 가스 확산 전극의 개념을 달성할 수 있음을 보여줍니다.

과학자들은 시연에서 태양에서 수소로의 변환 효율을 공식적으로 연구하지는 않았지만, 이 프로토타입에 대해서는 적당하지 않으며 현재 액체 기반 PEC 셀에서 달성할 수 있는 것보다 낮다는 것을 인정합니다. 사용된 재료에 따라 코팅된 웨이퍼의 이론상 최대 태양광에서 수소로의 변환 효율은 12%인 반면, 액체 전지는 최대 19% 효율이 입증되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230104085315.htm