Το μαύρο πυρίτιο φέρνει επανάσταση στην παραγωγή ανανεώσιμων καυσίμων

Το πυρίτιο είναι το στοιχείο της ηλεκτρονικής εποχής. Από τα μικροσκοπικά μικροτσίπ έως τις οθόνες LCD μασίφ LCD, το ημιαγωγό μεταλλοειδές παίζει κεντρικό ρόλο στις συσκευές που ορίζουν τη σύγχρονη ζωή.

Αλλά οι χρήσεις πυριτίου πηγαίνουν πολύ πέρα ​​από την πληροφορική και τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Είναι πρακτικό σε όλες τις βιομηχανικές και τεχνολογικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής τεχνολογίας. Το μαύρο πυρίτιο, μια παραλλαγή που απορροφά 99 τοις εκατό του φωτός, κάνει για ισχυρούς ηλιακούς συλλέκτες.

Τώρα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Wisconsin-Madison, με επικεφαλής τον καθηγητή Xudong Wang για την Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Yanhao Yu, και οι συνεργάτες τους στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου, οι καθηγητές Yue Zhang και Zheng Zhang, αναφέρουν μια καινοτομία στη νανοτεχνολογία.

 Η υπόσχεση -και η πρόκληση- έγκειται στην ειδική νανοδομή μαύρου πυριτίου. Το τυπικό πυρίτιο έχει μια νανοδομή που είναι σχετικά ομαλή. Σήμερα η νανοδομή μαύρου πυριτίου είναι πολύ τραχύ. Αυτή η χονδροειδής υφή αναγκάζει το εισερχόμενο φως να αναπηδήσει πίσω στο πυρίτιο και όχι να αντανακλάται όπως θα ήταν με το τυπικό πυρίτιο.

Η ποιότητα απορρόφησης φωτός καθιστά το μαύρο πυρίτιο ελκυστικό υλικό για ηλιακούς συλλέκτες, οι οποίοι πρέπει να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ενέργεια για να μεγιστοποιήσουν την αποδοτικότητά τους. Η τεχνολογία είναι καλά ανεπτυγμένη και υπάρχουν άλλοι τρόποι με τους οποίους οι ιδιότητες απορρόφησης φωτός του μαύρου πυριτίου θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες.

Αυτό είναι που οι ερευνητές ανακάλυψαν πως μπορούν να ξεπεράσουν ένα βασικό εμπόδιο που δημιουργεί η ακατέργαστη νανοδομή του μαύρου πυριτίου.

Η έρευνα του Wang επικεντρώνεται σε αυτό το εμπόδιο. Ελπίζει να χρησιμοποιήσει το μαύρο πυρίτιο ως ηλιακή γεννήτρια χημικής ενέργειας όπως το καύσιμο υδρογόνου. Η ιδέα είναι ότι το πυκνό μαύρο πυρίτιο που προέρχεται από την αποτελεσματική ηλιακή απορρόφηση θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να διασπάσει μόρια νερού και να δημιουργήσει καύσιμο υδρογόνου μέσω μιας φωτο-ηλεκτροχημικής διαδικασίας.

Αυτό θα αποτελούσε μια αποτελεσματική, ανανεώσιμη και καθαρή εναλλακτική λύση για την παρουσίαση μεθόδων παραγωγής καυσίμου υδρογόνου. Η επιφάνεια του μαύρου πυριτίου, ενώ είναι πλεονεκτική στις ιδιότητες απορρόφησης του φωτός, είναι πολύ ασταθής και αντιδραστική – ακριβώς λόγω της τραχιάς υφής του.

Αυτή η αντιδραστική επιφάνεια είναι ιδιαίτερα προβληματική στο πλαίσιο της παραγωγής καυσίμου υδρογόνου, επειδή το καλύτερο υγρό για την παραγωγή καυσίμου υδρογόνου με τη διάσπαση ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου είναι στην πραγματικότητα το καθαρό νερό.

Αντίθετα, τα  ηλεκτρολυτικά διαλύματα όπως το υδροξείδιο του νατρίου, τα οποία είναι πιο αγώγιμα από το νερό, είναι πολύ πιο αποτελεσματικά στη φωτοηλεκτροχημική διαδικασία που μετατρέπει την ηλιακή ενέργεια σε καύσιμο υδρογόνο.

Αλλά το υδροξείδιο του νατρίου είναι ιδιαίτερα διαβρωτικό. Όταν το μαύρο πυρίτιο έρχεται σε επαφή  – όπως πρέπει να αναλάβει την πρωτοβουλία της φωτοηλεκτρο-χημικής διαδικασίας που δημιουργεί καύσιμο υδρογόνου – η αντιδραστική επιφάνεια του διαβρώνει γρήγορα και γίνεται άχρηστη.

Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, η ομάδα του Wang προσπάθησε να δώσει στην τραχεία και αντιδραστική επιφάνεια μαύρου πυριτίου μια προστατευτική επικάλυψη. Η επικάλυψη έπρεπε να είναι αρκετά πυκνή για να εμποδίσει τον ηλεκτρολύτη να έλθει σε επαφή με το μαύρο πυρίτιο, αλλά αρκετά λεπτό για να επιτρέψει στο πυρίτιο να απορροφήσει το ηλιακό φως.

Για να το επιτύχει αυτό, ο Wang χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται εναπόθεση ατομικής στρώσης, η οποία εκθέτει μια επιφάνεια σε αέρια πρόδρομα για να δημιουργήσει μια λεπτή μεμβράνη χωρίς οπές και πολύ ομοιόμορφη. Σε αυτή την περίπτωση, ο Wang κατέστει ένα στρώμα διοξειδίου του τιτανίου πάχους 10 νανομέτρων επάνω στην επιφάνεια του μαύρου πυριτίου.

Τα αποτελέσματα ήταν πολύ ελπιδοφόρα. Όχι μόνο το διοξείδιο του τιτανίου παρέχει μια προστατευτική επίστρωση που εμποδίζει τον διαβρωτικό ηλεκτρολύτη να αντιδράσει με το πυρίτιο, είναι τόσο λεπτή ώστε να μην επηρεάζει την απορρόφηση του φωτός.

Επίσης, ενισχύει την αποδοτικότητα ολόκληρης της διαδικασίας μετατροπής ενέργειας μειώνοντας τα ελαττώματα της επιφάνειας του μαύρου πυριτίου, σύμφωνα με τον Wang. “Αυτή η εξέλιξη δείχνει πραγματικά τη σκοπιμότητα αυτής της τεχνολογίας”, λέει ο Wang. “Αυτή ήταν μια θεμελιώδης μελέτη σε έναν πολύ ενεργό ερευνητικό τομέα που νομίζω ότι μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές ερευνητικές ευκαιρίες”.

Το επόμενο βήμα για την ομάδα του Wang είναι να καταλάβουμε πώς να μεγιστοποιήσουμε τη διάρκεια ζωής της λεπτής προστατευτικής επικάλυψης. Αυτή τη στιγμή, η επίστρωση δεν διαρκεί αρκετό καιρό για να καταστεί η τεχνολογία εμπορικά βιώσιμη. Αλλά ο Wang λέει ότι η ομάδα του έχει ήδη βελτιώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του από την πρώτη τους επιτυχία στην απόδειξη της σκοπιμότητάς του.

Εάν μπορούν να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής τους αρκετά, μπορεί σύντομα να είναι μια προσιτή προμήθεια καυσίμου υδρογόνου που παράγεται από ηλιακή ενέργεια, γεγονός που θα αποτελούσε εξαιρετικά καθαρή και ανανεώσιμη παροχή καυσίμων. 

Η έρευνα εμφανίστηκε στο τεύχος του περιοδικού Nature Energy.