Forskerne ved Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har utviklet en tandem-enhet med to lysabsorberende lag. Enheten bruker sollys til å spalte vannmolekyler og produsere hydrogen uten en ekstern elektrisk forsyning.

Hydrogenproduksjon har tradisjonelt vært basert på naturgass, som slipper ut karbondioksid i prosessen. Soldrevne løsninger kan derfor gi et alternativ uten utslipp, men organiske enheter har hatt problemer med å generere høy nok spenning på egen hånd. De har også vært sårbare for ustabilitet i grenseflatene mellom materialene.

Ny beskyttelseslag løser korrosjonsproblem

Photoelectrochemical (PEC)-spalting av vann er en direkte vei til solbasert hydrogen, men organiske halvlederbaserte fotokatoder har vært begrenset av utilstrekkelig fotospenningsnivå og ustabile grenseflater, skriver forskerne i studien.

For å øke spenningen har teamet stablet to organiske lysabsorberende lag. Vannspalting krever en minimumsterskel på 1,23 volt, mens organiske materialer i ett lag ikke pålitelig når dette nivået. Tidligere forsøk med to lag har imidlertid ofte ført til rask nedbrytning.

Problemet var blant annet koblingsmaterialet PEDOT:PSS. Materialet er svært surt og sårbart for vann, og kunne derfor raskt skade komponentene rundt seg. UNIST-teamet erstattet det med et nytt hybridlag bestående av molybdenoksid og det organiske molekylet 2PACz.

Molybdenoksidet er verken surt eller spesielt utsatt for å ta opp fuktighet. Det fungerer også som et beskyttende skjold som hindrer flytende løsemidler i å trenge gjennom under belegningen. 2PACz-molekylene jevner samtidig ut mikroskopiske feil, slik at elektriske ladninger kan bevege seg fritt.

7,9 prosent effektivitet i laboratoriet

I laboratoriet oppnådde den lille cellen en sol-til-hydrogen-effektivitet på 7,9 prosent. Det er den høyeste registrerte verdien for en organisk halvlederbasert fotokatode som fungerer uten påtrykt elektrisk spenning.

Forskerne målte en startpotensial på 1,67 volt mot RHE og en sol-til-hydrogen-effektivitet på 7,9 prosent under forspenningsfri drift med to elektroder. Etter ti timers sammenhengende drift beholdt enheten 86 prosent av den opprinnelige fotostrømmen. Konvensjonelle utforminger falt i samme sammenligning til 36 prosent.

Teknologien er også testet utenfor laboratoriebenken. Forskerne bygget en utendørs modul med et areal på 320 kvadratcentimeter, som produserte hydrogen under naturlig sollys.

Vil redusere bruken av edelmetaller

For å holde kostnadene nede reduserte teamet bruken av edelmetaller kraftig. Mengden platina på hydrogenelektroden ble begrenset til 0,1 vektprosent. Mot-elektroden brukte i stedet en rimelig katalysator basert på nikkel, jern og kobolt.

Begge sidene i løsningen arbeider i det samme kjemiske badet. Dermed kan systemet unngå kostbare ionebyttemembraner.

En økonomisk modell antyder at hydrogenet kan produseres til 4,26 dollar per kilo dersom enheten i stor skala når sin teoretiske effektivitetsgrense på 16 prosent. Dette er et estimat basert på en mulig framtidig ytelse, ikke en kostnad som er demonstrert i dagens prototype.

Flere forsøk med solbasert drivstoff

Forskere ved Nanyang Technological University i Singapore arbeider samtidig med en annen type solbasert drivstoffproduksjon. Deres blad-inspirerte enhet bruker sollys til å hente hydrogen direkte fra sjøvann, samtidig som den nøytraliserer hydrazin, et giftig industrikjemikalie.