Hisatomi T et al. (2024) Photocatalytic water splitting for large-scale solar-to-chemical energy conversion and storage. Frontiers in Science 2, 1411644 – https://doi.org/10.3389/fsci.2024.1411644 – open access article pdf – CC BY

Abstract (povzetek):

S sončno svetlobo pogojeno razcepljanje vode omogoča proizvodnjo obnovljivega vodika iz bogatih in okolju prijaznih virov vode. Velikopotezna družbena implementacija te tehnologije proizvodnje zelenega goriva v sistemih za proizvodnjo energije je bistvena za vzpostavitev trajnostnih družb v prihodnosti. Med različnimi tehnologijami je fotokatalitično razcepljanje vode z uporabo delcev polprevodnikov pritegnilo vse večjo pozornost kot metoda za proizvodnjo velikih količin zelenih goriv po nizki ceni. Ključ za praktično uporabo te tehnologije je razvoj fotokatalizatorjev, ki so sposobni razgrajevati vodo z visoko učinkovitostjo pretvorbe sončne energije v gorivo. Poleg tega so potrebni napredki, ki omogočajo uporabo fotokatalizatorjev za razgrajevanje vode na velikih površinah, kot tudi sposobnost varne in učinkovite pridobitve vodika iz proizvedenega kisikovodikovega plina. Ta uvodni članek opisuje ključna odkritja in najnovejše raziskovalne trende na področju fotosinteze z uporabo delcev polprevodnikov in fotokatalitskih listov za njeno izvedbo, prek enostopenjske in dvofazne ekscitacije (reakcije po Z-shemi), kot tudi za neposredno pretvorbo ogljikovega dioksida v obnovljiva goriva z uporabo vode kot donatorja elektronov. Opisujemo najnovejše dosežke na področju sistemov za sončno razcepljanje vode in zmanjševanje ogljikovega dioksida ter poti za izboljšanje njihove prihodnje učinkovitosti, skupaj z izzivi in rešitvami pri njihovi praktični uporabi in prilagodljivosti, vključno s fiksiranjem delcev fotokatalizatorjev, pridobivanjem vodika, varnostnim načrtovanjem reaktorskih sistemov in pristopi za ločeno pridobivanje vodika in kisika iz vode.

Key points (ključne točke):

• Nujna potreba človeštva po zmanjšanju odvisnosti od fosilnih goriv in prehodu na obnovljiva goriva je spodbudila zanimanje za obsežno izvajanje fotokatalitičnega razcepljanja vode z uporabo sončne energije za proizvodnjo zelenega vodika.
• Skoraj popoln izkoristek pretvorbe za fotokatalitično razcepljanje vode je bil dosežen pod obsevanjem z ultravijolično svetlobo, izvedljivost povečanja fotokatalitične proizvodnje sončnega vodika s fotokatalizatorsko ploščo pa je bila dokazana z uporabo 100 m² zunanjega prototipnega panelnega reaktorskega sistema. Ti preboji predstavljajo ključne korake k uvedbi v velikem obsegu.
• Proaktivni razvoj fotokatalizatorjev, ki se odzivajo na vidno svetlobo in imajo visoko učinkovitost pretvorbe sončne energije v vodik, ter izboljšanje in nadaljnje povečanje obsega fotokatalitičnih sistemov za razcepljanje vode so prednostne naloge za njihovo uvedbo v velikem obsegu, da bi bili konkurenčni obstoječim tehnologijam proizvodnje goriva. V tem smislu so fotokatalizatorske plošče prelomne.
• Varnost je izredno pomembna pri ravnanju z oksihidroginom, ki lahko nastane pri fotokatalitičnem razcepljanju vode; tveganje je mogoče zmanjšati na sprejemljivo raven z zagotavljanjem varnosti celotnega procesa in upoštevanjem ustreznih zakonov in predpisov. Alternativa proizvodnji oksihidrogin je ločeno pridobivanje vodika in kisika, kar je po naravi varno.
• Akreditacijska organizacija, sestavljena iz strokovnjakov z globokim razumevanjem fotokatalize, bi bila ključnega pomena za poenostavitev procesa proizvodnje vodika in certificiranje poročanih učinkovitosti pretvorbe sončne energije v vodik, s čimer bi podprla nadaljnje povečanje obsega in izvajanje fotokatalitičnih sistemov za razcepljanje vode.

URL: https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2024.1411644/full