Фотоэлектролиз воды

Фотоэлектролиз воды , также известный как фотоэлектрохимическое расщепление воды , происходит в фотоэлектрохимической ячейке , когда свет используется в качестве источника энергии для электролиза воды с образованием диводорода , который можно использовать в качестве топлива. Этот процесс является одним из путей к « водородной экономике », в которой водородное топливо производится эффективно и недорого из природных источников без использования ископаемого топлива . ^[1]^[2] Напротив, при паровом риформинге для получения водорода обычно или всегда используется ископаемое топливо. Фотоэлектролиз иногда называют « водорода» Святым Граалем из-за его способности создать жизнеспособную альтернативу нефти как источнику энергии ; такой источник энергии предположительно не будет иметь социально-политически нежелательных последствий добычи и использования нефти.

Механизм

Ячейка ФЭП в основном состоит из трех компонентов: фотоэлектрода электролита , и противоэлектрода . Полупроводник , имеющий решающее значение для этого процесса, поглощает солнечный свет , инициируя возбуждение электронов и последующее расщепление молекул воды на водород и кислород .

Фотоанодная реакция (выделение кислорода): H2O → 2H++1 2O2+ 2e−

Фотокатодная реакция (выделение водорода): 2H++ 2e− → H2

Эти полуреакции демонстрируют фундаментальную химию фотоэлектролиза, где фотоанод способствует выделению кислорода, а фотокатод поддерживает выделение водорода.

Текущие исследования и технологические достижения

Последние достижения были сосредоточены на совершенствовании полупроводниковых материалов и конструкции элементов для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в водород (STH), которая в настоящее время составляет 8–14%, с теоретическим максимумом около 42%. ^[3] Инновации включают в себя:

Полупроводниковые материалы. Исследования подчеркивают важность полупроводников с меньшей запрещенной зоной (менее 2,1 эВ), которые более эффективно используют более широкие спектры света, тем самым повышая эффективность. ^[4]

Сокатализаторы. Использование сокатализаторов на основе переходных металлов сыграло решающую роль в улучшении разделения зарядов и снижении перенапряжения, тем самым улучшая общую эффективность реакции расщепления воды. ^[5]

Нанопористые материалы. Эти материалы используются для увеличения площади поверхности для транспорта электронов, что значительно повышает эффективность фотоэлектрохимических систем. ^[6]

Преимущества: , использующий солнечный свет, фотоэлектролиз служит возобновляемым методом производства водорода , обеспечивая масштабируемость и адаптируемость в различных географических условиях.

Проблемы: К основным препятствиям относятся все еще развивающаяся эффективность процесса и прерывистый характер солнечной энергии, что может повлиять на постоянное производство водорода. Кроме того, поиск прочных и эффективных материалов для долгосрочной эксплуатации остается проблемой. ^[7]^[8]

Роль в водородной экономике

В рамках устойчивой водородной экономики фотоэлектролиз представляет собой многообещающий путь производства чистого водорода. Хотя в настоящее время он дороже, чем традиционные методы, такие как паровая конверсия метана, потенциал технологических достижений может сделать его более экономически жизнеспособным. ^[9]

Заключение и перспективы на будущее

Продолжающееся развитие материаловедения и дизайна ячеек, вероятно, повысит жизнеспособность фотоэлектролиза , что сделает его ключевым игроком в будущем ландшафте технологий возобновляемой энергетики. Продолжение исследований и инвестиций в преодоление существующих проблем будут иметь решающее значение для использования всего потенциала этой технологии.

устройства на основе гидрогеназы . Также были исследованы ^[10]

См. также

Ссылки

^ Крэбтри, Джорджия ; Дрессельхаус, Массачусетс ; Бьюкенен, М.В. (2004). «Водородная экономика» . Физика сегодня . 57 (12): 39–44. Бибкод : 2004ФТ....57л..39С . дои : 10.1063/1.1878333 . S2CID 28286456 .
^ Роперо-Вега, JL; Педраса-Авелла, JA; Ниньо-Гомес, Мэн (сентябрь 2015 г.). «Получение водорода фотоэлектролизом водных растворов фенола с использованием смешанных оксидных полупроводниковых пленок Bi–Nb–M–O (M=Al, Fe, Ga, In) в качестве фотоанодов» . Катализ сегодня . 252 : 150–156. дои : 10.1016/j.cattod.2014.11.007 .
^ Динсер, Ибрагим (2017). устойчивое производство водорода . дои : 10.1016/C2014-0-00658-2 . ISBN 978-0-12-801563-6 .
^ «Последние достижения в области полупроводниковых материалов с малой запрещенной зоной (≤2,1 эВ) для расщепления солнечной воды». Катализаторы, 13, 728 дюймов . doi : 10.3390/catal13040728 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Кумар (2022). «.Последние тенденции в фотоэлектрохимическом расщеплении воды: роль сокатализаторов» . Материалы НПГ Азия . 14 : 88. Бибкод : 2022npjAM..14...88K . дои : 10.1038/s41427-022-00436-x .
^ Шарма. «Обзор разработки материалов на основе наноструктур для фотоэлектрохимического получения водорода из сточных вод: перспективы и проблемы механизмов библиометрического анализа». Международный журнал водородной энергетики . doi : 10.1016/j.ijhydene.2023.01.056 .
^ Господи. «На пути к водородной инфраструктуре». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Раджаита. «Многофункциональные материалы для фотоэлектрохимического расщепления воды». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Хуан (2023). «Производство водорода фотоэлектролизом» . Штатив .
^ Паркин, Элисон (2014). «Глава 5. Понимание и использование гидрогеназ, биологических дигидрогенных катализаторов ». Питер М. Х. Кронек и Марта Э. Соса Торрес (ред.). Металлоориентированная биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 14. Спрингер. стр. 99–124. дои : 10.1007/978-94-017-9269-1_5 . ISBN 978-94-017-9268-4 . ПМИД 25416392 .

Эта электрохимии статья по незавершена . Вы можете помочь Википедии, расширив ее .

[1] Крэбтри, Джорджия ; Дрессельхаус, Массачусетс ; Бьюкенен, М.В. (2004). «Водородная экономика» . Физика сегодня . 57 (12): 39–44. Бибкод : 2004ФТ....57л..39С . дои : 10.1063/1.1878333 . S2CID 28286456 .

[2] Роперо-Вега, JL; Педраса-Авелла, JA; Ниньо-Гомес, Мэн (сентябрь 2015 г.). «Получение водорода фотоэлектролизом водных растворов фенола с использованием смешанных оксидных полупроводниковых пленок Bi–Nb–M–O (M=Al, Fe, Ga, In) в качестве фотоанодов» . Катализ сегодня . 252 : 150–156. дои : 10.1016/j.cattod.2014.11.007 .

[3] Динсер, Ибрагим (2017). устойчивое производство водорода . дои : 10.1016/C2014-0-00658-2 . ISBN 978-0-12-801563-6 .

[4] «Последние достижения в области полупроводниковых материалов с малой запрещенной зоной (≤2,1 эВ) для расщепления солнечной воды». Катализаторы, 13, 728 дюймов . doi : 10.3390/catal13040728 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[5] Кумар (2022). «.Последние тенденции в фотоэлектрохимическом расщеплении воды: роль сокатализаторов» . Материалы НПГ Азия . 14 : 88. Бибкод : 2022npjAM..14...88K . дои : 10.1038/s41427-022-00436-x .

[6] Шарма. «Обзор разработки материалов на основе наноструктур для фотоэлектрохимического получения водорода из сточных вод: перспективы и проблемы механизмов библиометрического анализа». Международный журнал водородной энергетики . doi : 10.1016/j.ijhydene.2023.01.056 .

[7] Господи. «На пути к водородной инфраструктуре». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[8] Раджаита. «Многофункциональные материалы для фотоэлектрохимического расщепления воды». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[9] Хуан (2023). «Производство водорода фотоэлектролизом» . Штатив .

[10] Паркин, Элисон (2014). «Глава 5. Понимание и использование гидрогеназ, биологических дигидрогенных катализаторов ». Питер М. Х. Кронек и Марта Э. Соса Торрес (ред.). Металлоориентированная биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 14. Спрингер. стр. 99–124. дои : 10.1007/978-94-017-9269-1_5 . ISBN 978-94-017-9268-4 . ПМИД 25416392 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]