Devices made using conventional semiconductor technologies could make hydrogen using just fresh or saltwater and sunlight
The idea of a hydrogen economy, where currently oil and its derivatives underpin much of every day life but could be superseded using hydrogen as a fuel, has been around for decades.
It is delayed, however, by two factors: the lack of a distribution structure for hydrogen and the difficulty in making the gas.
There are two ways of producing hydrogen: decompose water into its constituent gases, which requires electricity; or make it from natural gas, which does not reduce reliance on fossil fuels.
Researchers have been trying for many years to develop a method to use the sun’s energy to power water decomposition, mimicking the natural process of photosynthesis whereby green plants convert solar into chemical energy, but nature’s tricks have, as ever, proved difficult to copy.
Zetian Mi, a specialist in computer and electrical engineering, began working on this problem while at McGill University in Montréal. Now at the University of Michigan, Mi has published a paper describing a device capable of this artificial photosynthesis and water decomposition in Nature Communications.
The device is made from silicon and gallium nitride, a semiconductor often used in LEDs. Mi and his colleagues built a “nano -sized cityscape” of gallium nitride towers on a silicon wafer substrate. When light strikes the towers, the photons knock electrons out of the crystal structure, which then become mobile, as do the positively charged holes they leave behind. It is these mobile charge carriers that split hydrogen away from water molecules.
“When this specially engineered wafer is hit by photons, the electric field helps separate photogenerated electrons and holes to drive the production of hydrogen and oxygen molecules efficiently,” said Faqrul Alam Chowdhury, a doctoral student at McGill involved in the research.
Previous direct solar water splitters have achieved just over one per cent stable solar-to- hydrogen efficiency in fresh or saltwater. Mi’s team, however, achieved efficiency of over three per cent.
“Although the three per cent efficiency might seem low, when put in the context of the 40 years of research on this process, it’s actually a big breakthrough,” Mi said. “Natural photosynthesis, depending how you calculate it, has an efficiency of about 0.6 per cent.” The team’s goal as they continue research is to reach five per cent efficiency, which they see as the threshold for commercialisation, and then continue to improve performance, aiming to reach a target of 20 to 30 per cent.
One way to improve performance might be to use the silicon wafer backing of the gallium nitride towers to help capture light and funnel charge carriers into the gallium nitride.
Mi conducts similar research to strip carbon dioxide of its oxygen to turn the resulting carbon into hydrocarbons, such as methanol and syngas. This research path could potentially remove carbon dioxide from the atmosphere, like plants do.
ITALIANO
I dispositivi realizzati usando le tecnologie convenzionali dei semiconduttori potrebbero rendere possibile la produzione di l'idrogeno usando solo acqua dolce o salata e luce solare
L'idea di un'economia dell'idrogeno, dove attualmente il petrolio e i suoi derivati che sono alla base della vita di tutti i giorni potrebbero essere sostituiti dall'idrogeno come combustibile, è in circolazione da decenni.
È in ritardo, tuttavia, per due fattori: la mancanza di una struttura di distribuzione per l'idrogeno e la difficoltà nel produrre il gas.
Esistono due modi per produrre idrogeno: decomporre l'acqua nei suoi gas costitutivi, che richiede elettricità; o provenire dal gas naturale, che non riduce la dipendenza dai combustibili fossili.
I ricercatori hanno cercato per molti anni di sviluppare un metodo per utilizzare l'energia del sole per alimentare la decomposizione dell'acqua, imitando il processo naturale della fotosintesi in base alla quale le piante verdi convertono il solare in energia chimica, ma i trucchi della natura sono, come sempre, difficili da copiare.
Zetian Mi, specialista in informatica e ingegneria elettrica, ha iniziato a lavorare su questo problema mentre era alla McGill University di Montréal. Ora presso l'Università del Michigan, Mi ha pubblicato un articolo che descrive un dispositivo in grado di realizzare questa fotosintesi artificiale e decomposizione dell'acqua in Nature Communications.
Il dispositivo è realizzato in silicio e nitruro di gallio, un semiconduttore spesso utilizzato nei LED. Mi ed i suoi colleghi hanno costruito un "paesaggio urbano nano-dimensionato" di torri di nitruro di gallio su un substrato di wafer di silicio. Quando la luce colpisce le torri, i fotoni colpiscono gli elettroni dalla struttura cristallina, che diventa mobile, così come i buchi caricati positivamente che lasciano dietro di sé. Sono questi portatori di carica mobile che separano l'idrogeno dalle molecole d'acqua.
"Quando questo wafer appositamente progettato viene colpito dai fotoni, il campo elettrico aiuta a separare elettroni e buchi fotogenerati per guidare la produzione di molecole di idrogeno e ossigeno in modo efficiente", ha dichiarato Faqrul Alam Chowdhury, uno studente di dottorato presso McGill coinvolto nella ricerca.
I precedenti separatori d'acqua solari diretti hanno raggiunto poco più dell'1% dell'efficienza solare-idrogeno stabile in acqua dolce o salata. La squadra di Mi, tuttavia, ha raggiunto un rendimento superiore al 3%.
"Sebbene l'efficienza del tre per cento possa sembrare bassa, se inserita nel contesto dei 40 anni di ricerca su questo processo, è in realtà un grande passo avanti", ha detto Mi. "La fotosintesi naturale, a seconda di come la si calcola, ha un'efficienza di circa lo 0,6 per cento." L'obiettivo del gruppo, mentre proseguono la ricerca, è raggiungere il 5 percento di efficienza, che considerano la soglia per la commercializzazione, e quindi continuare a migliorare le prestazioni , con l'obiettivo di raggiungere un obiettivo del 20-30%.
Un modo per migliorare le prestazioni potrebbe essere quello di utilizzare il supporto di wafer di silicio delle torri di nitruro di gallio per aiutare a catturare portatori di carica di luce nel nitruro di gallio.
Mi conduce ricerche simili per eliminare il biossido di carbonio dal suo ossigeno per trasformare il carbonio risultante in idrocarburi, come il metanolo e il syngas. Questo percorso di ricerca potrebbe potenzialmente rimuovere l'anidride carbonica dall'atmosfera, come fanno le piante.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/artificial-photosynthesis-hydrogen/?cmpid=tenews_5133382&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
