Pentru extragerea la scară largă a hidrogenului din apă este necesară utilizarea unor tehnologii sustenabile, eficiente, scalabile și durabile. Folosirea energiei solare (sau a altor surse de energie regenerabilă) pentru a descompune apa în oxigen și hidrogen este o metodă care oferă sustenabilitate, iar cercetările recente au făcut progrese cheie spre obținerea unei eficiențe mai bune și unei scalabilității. În prezent, cercetătorii japonezi au declarat faptul că au făcut un pas important către sporirea durabilității.
În prezent, hidrogenul este extras în principal din gazele naturale. Totuși, acest proces eliberează o cantitate mare de dioxid de carbon și metan în atmosferă. În schimb, abordarea energie solară-hidrogen s-a concentrat pe divizarea apei folosind fenomene fotoelectrochimice (PEC). În cadrul sistemelor PEC nu se generează gaze cu efect de seră, iar materialele catalizatoare speciale absorb lumina soarelui și o folosesc pentru a descompune apa direct în hidrogen și oxigen. Din păcate, până în prezent, aceste dispozitive au fost limitate de eficiența și durată de viață reduse. În timp ce tehnologiile PEC anterioare avut o perioadă de exploatare medie de doar aproximativ o săptămână, noul sistem are o durată de viață dramatic mai mare.
„Am confirmat durabilitatea sistemului pe o perioadă de 100 de zile. Aceasta este una dintre cele mai lungi perioade de exploatare a unui sistem PEC experimental. Durabilitatea va fi cheia pentru sistemele fără întreținere, care pot fi instalate în locații îndepărtate”, a declarat Masashi Kato, profesor de inginerie electrică și mecanică din cadrul Institutului de Tehnologie Nagoya.
Cercetarea și tehnologiile privind utilizarea hidrogenului drept combustibil au căpătat avânt în întreaga lume. Mai multe companii și inițiative fac acest lucru prin utilizarea energiei eoliene sau solare pentru a descompune apa prin procesul de electroliză.
Descompunerea solară directă a apei folosind PEC este o modalitate mai elegantă, care presupune un singur pas, acela de a valorifica energia solară pentru producerea de hidrogen. Totuși, aceasta s-a dovedit a fi dificil de implementat pe scară largă. Dispozitivele nu sunt accesibile din punct de vedere financiar, eficiente sau suficient de rezistente pentru a ieși din mediul de laborator.
Fotocatalizatorii sunt elementele de bază din dispozitivele PEC. Kato și colegii săi au proiectat un dispozitiv PEC tandem, care folosește doi electrozi, care sunt acoperiți cu câte un catalizator diferit. Una dintre substanțe este dioxidul de titan, un material utilizat în mod obișnuit în vopseaua albă și pentru produsele de protecție solară, iar cealaltă este o carbură de siliciu, pe care echipa Kato a dezvoltat-o și a descris-o în cercetările anterioare.
Cei doi catalizatori absorb părți diferite ale spectrului de lumină și funcționează în mod complementar pentru a descompune apa. Dioxidul de titan este un fotocatalizator de tip n, care absoarbe lumina ultravioletă și generează electroni, declanșând reacții chimice care produc oxigen, iar carbura de siliciu realizată de cercetători este un catalizator de tip p, care absoarbe lumina din spectrul vizibil pentru a produce hidrogen.
Pentru o anumită perioadă de timp și atunci când se aplică o tensiune pe dispozitivul plasat în apă, cele două reacții se susțin reciproc pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen. „Acest lucru are ca rezultat creșterea de cinci ori a longevității dispozitivului față de tehnologiile anterioare, acesta având o perioadă de funcționare de 100 de zile”, a declarat Kato.
Eficiența sistemului raportat în revista Solar Energy Materials and Solar Cells este relativ scăzută, mai exact de doar 0,74%. Majoritatea tehnologiilor de timp energie solară-hidrogen au obținut eficiențe în intervalul 1-2%, dar unele echipe de cercetare au obținut eficiențe substanțial mai mari. Recent, o echipă de cercetători din Italia și Israel au raportat o metodă care valorifică nanotuburile semiconductoare acoperite cu sfere de platină care transformă aproape 4% din energia solară în hidrogen.
În anul 2019, o echipă de cercetători belgieni din cadrul KU Leuven a raportat un prototip de panou solar, care absoarbe umezeala din aer și care o descompune în hidrogen și oxigen cu o eficiență de 15%. Potrivit Departamentului Energetic al SUA, eficiența de 5-10% ar trebui să fie suficientă pentru implementarea unui sistem practic de tip energie solară-hidrogen.
Kato a declarat faptul că electrodul cu dioxid de titan este cel care limitează eficiența sistemului. În prezent, echipa de cercetare caută să utilizeze alți fotocatalizatori care ar putea funcționa în continuare împreună cu electrodul din carbură de siliciu pentru a spori eficiența sistemului. „Cu toate acestea, combinația dintre durabilitate și eficiență încă diferențiază dispozitivul nostru față de celelalte”, a adăugat acesta.