การเคลือบแบบใหม่พลิกอนาคตเชื้อเพลิงไฮโดรเจน

นักวิจัยค้นพบวิธีการเคลือบแบบใหม่ที่ช่วยให้กระบวนการสร้างเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์เกิดขึ้นได้อย่างเสถียร แก้ปัญหาการกัดกร่อนที่เคยเป็นกำแพงสำคัญที่นักวิจัยพยายามหาทางแก้ไขกันมามากกว่าครึ่งศตวรรษ

กระบวนการ Photocatalysis โดยใช้อนุภาคในน้ำนั้นเป็นแนวโน้มเทคโนโลยีที่สร้างเชื้อเพลิงจากแสงอาทิตย์ได้ แต่หนึ่งในกำแพงขวางกั้นให้การสร้างเชื้อเพลิงแสงอาทิตย์เหล่านี้ในราคาที่ถูก และผลิตได้จำนวนมาก คือ ความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพแต่มีการกัดกร่อนเกิดขึ้นได้ยาก

ในการค้นพบเทคโนโลยีที่ทลายกำแพงความท้าทายเหล่านี้ ทีมนักวิจัยได้ค้นพบวิธีการเคลือบวัสดุที่สามารถแก้ปัญหาที่สำคัญนี้ได้และตีพิมพ์ในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences

ระบบการแยกน้ำออกจากกันนั้นจะเป็นการแตกตัวของไฮโดรเจนและออกซิเจน จำเป็นต้องมีวัตถุดิบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างระหว่างแถบพลังงาน (Band Gap) ที่แคบ ซึ่งจะทำให้สามารถดูดซับแสงอาทิตย์ได้มากขึ้น และทำให้สามารถเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์ไปเป็นพลังงานเคมีได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่วัสดุเหล่านี้สามารถจับแสงอาทิตย์ได้โดยง่ายแต่กลับสามารถเกิดการกัดกร่อนภายใต้การส่องสว่างด้วยการลดรูปตัวเอง (Self Reduction) และ การเกิดออกซิเดชันในตัวเอง (Self Oxidation) ปัญหาเหล่านี้เป็นความท้าทายที่นักวิจัยต่างใช้เวลากว่าครึ่งศตวรรษในการหาทางออก ยุทธศาสตร์ในการปกป้องวัสดุเหล่านี้เน้นไปที่การจำกัดความสามารถในการแยกประจุของหลุมอิเล็กตรอนลบและบวก กระบวนการนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับ Photocatalysis แต่มันเป็นสิ่งที่จะเกิดขึ้นได้ยากมากสำหรับระบบอื่น ๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ โดยทั่วไปแล้วแต่ละชั้นที่ถูกวางเรียงกันของวัสดุจะออกแบบให้ปกป้องระบบเหล่านี้ โดยมีอิเล็กโทรด 2 ตัวที่เรียกว่า Cathode และ ฤืนกำ เป็นการจำกัดการขนถ่ายอิเล็กตรอนหรือหลุมแต่ไม่ใช่ทั้งสองแบบพร้อมกัน

เพื่อให้เกิด Photocatalysis แบบใหม่สำหรับการทำงานร่วมกันของสองปฏิกริยา ทีมวิจัยรู้ว่าต้องการให้สองประจุนี้เกิดขึ้นในวัสดุดูดซับแสง (Photoabsorber) และขนส่งผ่านการเคลือบไปยังพื้นที่ Reductive และ Oxidative ซึ่งอิเล็กตรอนจะไม่ถูกเพิ่มหรือถอดออก แต่จะอยู่บนพื้นผิวทั้งคู่ การสร้างรูปแบบการเคลือบที่ทำให้ทั้งสองปฏิกริยาเกิดขึ้นได้นั้นเป็นก้าวใหญ่ ซึ่งจะเป็การเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฮโดรเจนในระดับที่สูงยิ่งขึ้น

ทีมวิจัยได้สร้างการเคลือบที่หนา 3 นาโนเมตรขึ้นจาก Titanium Oxide ในห้องทดลอง สารเคลือบก่อตัวห่อหุ้ม Photoabsorber ไว้ จากนั้นนำอนุภาคโลหะนาโนที่ทำหน้าที่เป็นเหมือนตัวช่วยเร่งปฏิกริยา (Co-Catalyst) ไว้บนผิวเคลือบ โครงสร้างจะทำให้ Photocatalyst เกิดปฏิกริยาที่แตกต่างกันที่พื้นที่ซึ่งมีตัวช่วยเร่งปฏิกริยาและพื้นผิวที่เคลือบไว้เปล่า ๆ ระบบถูกออกแบบให้ค่าเพิ่มขึ้นและจะไปถึงจุดที่มีค่าการประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานระดับสูง 1.7% ด้วยช่องว่างแถบพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ที่แคบ ในขณะที่ยังคงความเสถียรไว้ได้มากกว่า 150 ชั่วโมง ซึ่งถือว่าเป็นเวลาที่นานกว่ามากหากเปรียบเทียบกับระบบอื่นที่ใช้วัสดุที่ใกล้เคียงกัน

ที่มา:
Techxplore.com