Ένα φωτοηλεκτροχημικό κελί έχει αναπτυχθεί στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, (TU Wien), το οποίο έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύσει χημικά την ενέργεια του υπεριώδους φωτός, ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες.
Η φύση μας δείχνει πώς γίνεται: Τα φυτά μπορούν να απορροφούν το φως του ήλιου και να αποθηκεύουν την ενέργεια του χημικά. Η μίμηση κάτι τέτοιου σε μεγάλη βιομηχανική κλίμακα, όμως, είναι δύσκολη. Φωτοβολταϊκά μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλά σε υψηλές θερμοκρασίες, η απόδοση των ηλιακών κυττάρων μειώνεται.
Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να αποθηκευτεί – αλλά η ενεργειακή αποδοτικότητα της μεθόδου αυτής είναι περιορισμένη.
Οι επιστήμονες στο TU Wien έχουν πλέον αναπτύξει μια νέα έννοια: Με το συνδυασμό άκρως εξειδικευμένων νέων υλικών, έχουν καταφέρει να συνδυάσουν την υψηλή θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών με ένα ηλεκτροχημικό κελί.
Το υπεριώδες φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την άντληση ιόντων οξυγόνου μέσω ενός στερεού ηλεκτρολύτη οξειδίου. Η ενέργεια του φωτός UV αποθηκεύεται χημικά. Στο μέλλον, αυτή η μέθοδος θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για να χωρίσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο.
Ειδικά Υλικά για υψηλές θερμοκρασίες
Ως φοιτητής στο TU Wien, ο Georg Brunauer άρχισε να αναρωτιέται για πιθανούς συνδυασμούς των φωτοβολταϊκών και της ηλεκτροχημικής αποθήκευσης. Η σκοπιμότητα ενός τέτοιου συστήματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το αν είναι σε θέση να δουλέψουν σε υψηλές θερμοκρασίες.
“Αυτό θα μας επιτρέψει να επικεντρωθεί το φως του ήλιου με τους καθρέφτες και την κατασκευή σταθμών παραγωγής μεγάλης κλίμακας με υψηλό ρυθμό απόδοσης,” λέει ο Brunauer. Κοινά φωτοβολταϊκά κύτταρα, ωστόσο, λειτουργούν καλά μόνο μέχρι 100 ° C. Σε μια ηλιακή μονάδα συμπυκνωτή, θα επιτευχθούν υψηλότερες θερμοκρασίες.
Με το συνδυασμό πολλών διαφορετικών οξείδιων των μετάλλων, ο Brunauer κατάφερε να δημιουργήσει ένα κύτταρο το οποίο συνδυάζει τα φωτοβολταϊκά και την ηλεκτροχημεία. Αρκετές ερευνητικές εταίρες στο TU Wien συνέβαλαν στο έργο.
Ο Georg Brunauer είναι μέλος της ερευνητικής ομάδας του καθηγητή Karl Ponweiser στο Ινστιτούτο Ενεργειακών Συστημάτων και Θερμοδυναμική, η ομάδα του καθηγητή Jürgen Fleig από το “Chemical Technologies και Analytic” και το “Institute for Atomic and Subatomic physics” συμμετείχαν επίσης.
Δημιουργώντας Τάση και Ίωνες Άντλησης
“Τα κύτταρά μας αποτελούνται από δύο διαφορετικά μέρη. Ένα φωτοηλεκτρικό μέρος στην κορυφή και ένα ηλεκτροχημικό τμήμα κάτω”, λέει ο Brunauer. “Στο ανώτερο στρώμα, το υπεριώδες φως δημιουργεί ελεύθερους φορείς φορτίου, ακριβώς όπως σε ένα τυπικό ηλιακό κύτταρο.”
Τα ηλεκτρόνια σε αυτό το στρώμα είναι αφαιρούνται άμεσα και ταξιδεύουν προς τα κάτω στο στρώμα του ηλεκτροχημικού στοιχείου. Μόλις φτάσουν εκεί , αυτά τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για τον ιονισμό του οξυγόνου προς τα αρνητικά ιόντα οξυγόνου, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να ταξιδεύουν μέσω μιας μεμβράνης στο ηλεκτροχημικό μέρος του κυττάρου.
“Αυτό είναι το κρίσιμο φωτοηλεκτροχημικό βήμα, το οποίο ελπίζουμε ότι θα οδηγήσει στη δυνατότητα διάσπαση του νερού και την παραγωγή του υδρογόνου”, λέει ο Brunauer. Στο πρώτο στάδιο της εξέλιξής του, το κύτταρο λειτουργεί ως αντλία οξυγόνου του υπεριώδες φωτός. Παράγει ένα ανοικτό-ρεύμα τάσης έως 920 χιλιοστοβόλτ σε θερμοκρασία 400 ° C.
Το φωτοηλεκτροχημικό κελί παρουσιάζεται στο περιοδικό “Advanced Functional Materials,” αλλά το ερευνητικό έργο συνεχίζεται.
“Θέλουμε να καταλάβουμε την προέλευση αυτών των αποτελεσμάτων από την εκτέλεση μερικών ακόμη πειραμάτων, και ελπίζουμε ότι θα είμαστε σε θέση να βελτιώσουμε τα υλικά μας ακόμη περισσότερο”, λέει ο Brunauer.
Αν η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αυξηθεί ελαφρώς, το κύτταρο θα είναι σε θέση να χωρίσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. “Αυτός ο στόχος είναι εφικτός, τώρα που έχουμε δείξει ότι το κύτταρο λειτουργεί”, λέει ο Brunauer.
Η ιδέα δεν είναι χρήσιμη μόνο για την παραγωγή υδρογόνου, καθώς θα μπορούσε επίσης να χωρίσει το διοξείδιο του άνθρακα σε μονοξείδιο του άνθρακα. Η παραγόμενη ενέργεια πραγματοποιείται με τη μορφή υδρογόνου και μονοξειδίου του άνθρακα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση των καυσίμων.
με Αριθμό Μητρώου 12691
