С помощью нанопленки из никеля можно защитить анод фотоэлектрохимической ячейки
 Схематическое изображение принципа работы фотоэлектрохимической ячейки. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Реакция расщепления воды при помощи солнца, при которой вода разделяется на кислород и водород за счет воздействия солнечного света, может стать экологически-чистым инструментом для производства энергии из возобновляемого источника. Поэтому многие научные группы заняты поиском эффективных материалов, которые могли бы работать в качестве фотоэлектрода в рамках этого процесса. Кремний, который широко используется на сегодняшний день в солнечных элементах, мог бы идеально подойти на эту роль, если бы он не подвергался распаду в растворах электролитов, применяемых в фотоэлектрохимических ячейках (photoelectrochemical cells, PECs).
Около двух лет назад команда ученых из Stanford University (США) уже пыталась преодолеть эту проблему, защищая кремниевые электроды при помощи ультратонкого покрытия из диоксида титана и иридия. Полученный инструмент для разложения молекул воды оказался весьма многообещающим, поскольку он обеспечил бесперебойное протекание реакции в течение 8 часов (без разрушения электрода). Однако для использования фотоэлектрохимических ячеек в более долгосрочной перспективе необходимо было снова вернуться к вопросу стабильности их электродов, а также найти защитные покрытия, стоимость которых будет ниже, нежели у производных драгоценного металла иридия.
Теперь группа разработала гораздо более дешевую альтернативу покрытия для кремниевых электродов. Для их защиты они применили обычный никель. Этот устойчивый к коррозии материал не только достаточно дешев, но и стабилен (он может обеспечить функционирование ячейки в течение более чем 24 часов, прежде чем начнется ее распад). Более того, тонкая пленка никеля толщиной всего несколько нанометров на поверхности кремниевого электрода n-типа также выступает в роли активного катализатора для получения кислорода в рамках реакции расщепления воды. Судя по всему, никель сочетается с естественно формирующимся на поверхности кремниевого электрода слоем оксида кремния (он образуется в ходе взаимодействия электрода с полученным в ходе реакции кислородом), а также с возникающим таким же образом оксидом никеля. Получившаяся в результате структура NIOX / Ni / SiO / Si может генерировать напряжение до 500 мВ при воздействии света.
Для повышения стабильности работы своей фотоэлектрохимической ячейки, ученые подмешали в электролит на водной основе, используемый обычно в таких структурах, литий. Добавка обеспечила еще более стабильную работу электродов. Теперь они могут функционировать более 80 часов без начала распада. Такой результат интересен сам по себе, поскольку литий использовался для улучшения свойств никеля со времен Томаса Эдисона, и теперь мы видим, что те же принципы помогают более эффективно расщеплять молекулы воды.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.
Теперь команда ученых занята дальнейшим совершенствованием своей фотоэлектрохимической ячейки, в частности, повышением стабильности никелевого покрытия, а также кремния, формирующего электроды. Кроме того, в планах опробовать электроды, изготовленные из других материалов (помимо кремния).
Также по теме:
- Биоводород теперь можно получать даже в присутствии кислорода
- Ученые нашли катализатор для эффективного производства водорода
- Наночастицы кремния позволяют производить чистый водород
- Наноструктуры-чемпионы улучшат ячейки для расщепления молекул воды
- InGaN позволяет создавать качественные фотоаноды для получения альтернативной энергии
Источники: