Các phương pháp hay nhất về tính hiệu quả và ổn định để tách nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro

Các phương pháp hay nhất về tính hiệu quả và ổn định để tách nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro

    Các phương pháp hay nhất về tính hiệu quả và ổn định để tách nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra hydro
    bởi Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia

    Efficiency and stability best practices proposed for solar water splitting to make hydrogen
    Một quang điện cực được sử dụng để sản xuất hydro bằng cách tách nước. Các nhà nghiên cứu đã phát triển một hướng dẫn thực hành tốt nhất về cách so sánh tốt nhất các công nghệ tách nước giữa các phòng thí nghiệm khác nhau. Ảnh: Dennis Schroeder, NREL


    Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (NREL) và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) đang cung cấp cho các nhà nghiên cứu hướng dẫn về cách đo lường tốt nhất hiệu quả sản xuất hydro trực tiếp từ năng lượng mặt trời.

    Quang điện hóa (PEC) tách nước, dựa vào ánh sáng mặt trời để tách nước thành các nguyên tố thành phần của nó - oxy và hydro - nổi bật là một trong những con đường bền vững nhất để làm sạch năng lượng. Tuy nhiên, các phép đo về mức độ hiệu quả của quá trình PEC trên một hệ thống giống hệt nhau có thể khác nhau giữa các phòng thí nghiệm khác nhau do thiếu các phương pháp tiêu chuẩn hóa. Hướng dẫn thực hành tốt nhất mới được phát triển được xuất bản trên Frontiers in Energy Research nhằm cung cấp sự tự tin trong việc so sánh các kết quả thu được tại các địa điểm khác nhau và theo các nhóm khác nhau.

    Ấn phẩm cung cấp một lộ trình cho cộng đồng PEC khi các nhà nghiên cứu tiếp tục cải tiến công nghệ. Các phương pháp thực hành tốt nhất này đã được cả hai phòng thí nghiệm xác minh thông qua thử nghiệm vòng tròn bằng cách sử dụng cùng một phần cứng thử nghiệm, quang điện cực PEC và quy trình đo lường. Nghiên cứu về quang điện đã cho phép chứng nhận hiệu quả của tế bào, nhưng các phép đo hiệu suất tách nước PEC vẫn chưa có một quy trình được chấp nhận rộng rãi.

    Todd Deutsch, nhà khoa học cấp cao tại NREL và đồng tác giả của bài báo mới trên tạp chí, cho biết: “Thật sự khó để so sánh kết quả hiệu quả tách nước PEC giữa các phòng thí nghiệm, bởi vì mọi người có xu hướng thực hiện các phép đo trong các điều kiện khác nhau. PEC: Cách đo lường đáng tin cậy hiệu suất từ ​​mặt trời thành hydro của photocathode. " "Bộ Năng lượng đã nhận ra điều này một thời gian trước, vì vậy đã có khá nhiều nỗ lực để thiết lập các tiêu chuẩn mà chúng tôi đã tham gia — các nỗ lực hợp tác giữa nhiều phòng thí nghiệm và cả các nỗ lực cụ thể của NREL."

    Các tác giả khác từ NREL là Keenan Wyatt, Myles Steiner và James Young.

    Francesca Toma, một nhà khoa học nhân viên vật liệu tại Berkeley Lab và là đồng tác giả của bài báo trên tạp chí. "Chúng tôi đã tận dụng những điểm mạnh độc đáo của hai phòng thí nghiệm quốc gia cùng nhau trải dài từ cơ bản đến lĩnh vực khoa học ứng dụng."

    Các đồng tác giả khác từ Berkeley Lab là Olivia Alley, Guiji Liu, Tobias Kistler, David Larson và Jason Cooper.

    Bài báo chỉ ra con đường để tất cả các phòng thí nghiệm có thể tuân theo sự đồng nhất của các thực hành thí nghiệm, bắt đầu với các vật liệu cần thiết cho việc chế tạo quang điện cực. Các tác giả tiếp tục trình bày chi tiết quy trình chế tạo, thiết lập thử nghiệm và quy trình đo hiệu suất từ ​​năng lượng mặt trời thành hydro (STH). Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng cần phải đo trực tiếp lượng hydro được tạo ra bởi quá trình tách nước PEC để xác định đặc tính chính xác của hiệu quả STH.

    Sự tách nước PEC lần đầu tiên được ghi nhận trong các ấn phẩm khoa học vào năm 1972. Kể từ đó, các nghiên cứu đã tiếp tục cải tiến và hoàn thiện quy trình, nhưng cho đến nay vẫn chưa có quy trình đo STH tiêu chuẩn nào được thiết lập. NREL lập kỷ lục đầu tiên về hiệu suất STH vượt quá 10% (12,4% STH) vào năm 1998, nhưng vào năm 2016 đã sửa đổi con số đó xuống trong một ấn phẩm mô tả những cạm bẫy phổ biến cần tránh khi thực hiện các phép đo hiệu quả, sau khi nhận ra rằng thí nghiệm ban đầu đã bị chiếu sáng quá mức. . Vào năm 2017, nhóm đã sử dụng kỹ thuật bandgap để thiết kế các bộ hấp thụ ánh sáng được tối ưu hóa hơn để tận dụng quang phổ mặt trời, dẫn đến STH cao hơn 16,2%, một kỷ lục thế giới mới vào thời điểm đó.

    Văn phòng Công nghệ Tế bào Nhiên liệu và Hydro của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đặt 25% làm mục tiêu cuối cùng cho STH thông qua phân tách nước PEC, mặc dù phân tích chi phí sơ bộ cho thấy có thể đạt được hydro với chi phí cạnh tranh với hiệu suất thấp hơn. Quang điện tử đã chứng minh hiệu quả từ 10% đến 20%.

    Các nhà nghiên cứu của PEC cũng tiếp tục làm việc để cải tiến độ bền. Chất bán dẫn được sử dụng để thu ánh sáng mặt trời được ngâm trong chất điện phân dạng nước (gốc nước). Nhưng với độ pH của chất điện phân từ axit đến kiềm, chất điện phân sẽ ăn mòn chất bán dẫn và làm giảm tuổi thọ của nó.

    Deutsch nói: “Độ bền vẫn là một yếu tố quan trọng cho công nghệ này. "Có một số tiến bộ, nhưng gần như không nhiều như gần đây trong việc cải thiện hiệu quả."

    Deutsch là đồng tác giả của một bài báo mới, cũng trong Frontiers in Energy Research, về "Các chỉ số ổn định lâu dài của quá trình tách nước quang điện" mô tả việc đạt được đồng thời hiệu quả cao và có thể tách nước PEC không cần sự trợ giúp như "Chén Thánh" trong sản xuất nhiên liệu sạch và tái tạo. Bài báo đó cung cấp một khuôn khổ để tiến hành các thí nghiệm độ ổn định lâu dài với hy vọng đạt được độ ổn định cực cao (kéo dài hơn 10.000 giờ) và hiệu suất lớn hơn 15%.

    Zalo
    Hotline