تجاری‌سازی فناوری تولید هیدروژن سبز خورشیدی به لطف توسعه یک ماده محافظ جدید که به طور قابل توجهی طول عمر فوتوالکترودها، جزء کلیدی این فناوری را افزایش می‌دهد، در حال تحقق است. پروفسور جونگکی ریو از دانشکده انرژی و مهندسی شیمی در UNIST، با همکاری پروفسور دیوید تیلی از دانشگاه زوریخ (UZH) در سوئیس، یک لایه محافظ ایجاد کرده است که به طور قابل توجهی دوام فوتوالکترودهای مبتنی بر اکسید فلزی مورد استفاده در تولید هیدروژن با نور خورشید را بهبود می‌بخشد.
ترفندی که تولید هیدروژن سبز از شکستن مولکول آب را ساده‌تر می‌کند
استفاده از لایه‌های محافظ رسانا و مقاوم در برابر خوردگی راهبردی کلیدی برای بهبود دوام مواد جاذب نور در تقسیم آب به روش فوتوالکتروشیمیایی است. در فوتوآندهای با کارایی بالا مانند Si، GaAs و GaP، لایه‌های محافظ TiO2 آمورف، که توسط لایه‌نشانی اتمی رسوب می‌کنند، از طریق حفره‌ها رسانایی ایجاد می‌کنند، که دلیل این رسانایی وجود نقص ساختاری در TiO2 است. با این حال، زمانی که روی آندهای نوری ارزان و ساده مانند اکسیدهای فلزی پوشش داده شوند، هیچ انتقال باری از طریق TiO2 آمورف مشاهده نمی‌شود.
یک لایه نازک پلی‌اتیلن ایمین بین جاذب نور و پلی‌اتیلن هیبریدی/TiO2 به عنوان رابط انتخابی حفره عمل می‌کند و خواص اپتوالکترونیکی دستگاه‌های فوتوآند را بهبود می‌بخشد. این فوتوآندهای اصلاح شده با پلی‌اتیلن ایمین/TiO2، پایداری بالایی برای اکسیداسیون آب در طول ۴۰۰ ساعت از خود نشان می‌دهند.
تولید هیدروژن فتوولتائیک نور خورشید را برای تولید هیدروژن از طریق تجزیه الکتروشیمیایی آب مهار می‌کند. این فرآیند متکی بر فوتوالکترود است که انرژی خورشیدی را جذب می‌کند تا واکنش‌هایی را انجام دهد که مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می‌کند. به طور خاص، هنگامی که نور خورشید فوتوالکترود را روشن می‌کند، واکنش‌های الکتروشیمیایی را ایجاد می‌کند که جداسازی آب را به عناصر تشکیل دهنده آن تسهیل می‌کند و در نهایت گاز هیدروژن تولید می‌کند.
با این حال، یک چالش بزرگ با این فناوری، خوردگی فوتوالکترودها در طول اکسیداسیون آب است که نیاز حیاتی به مواد محافظ موثر قبل از تجاری‌سازی را ضروری می‌کند. در حالی که فوتوالکترودهای مبتنی بر اکسید فلز مقرون به صرفه هستند، پیشرفت در توسعه آن‌ها به دلیل عدم وجود لایه‌های محافظ مناسب با تاخیر مواجه شد.
این تیم تحقیقاتی این چالش را با ترکیب پلیمر پلی اتیلن ایمین (PEI) در دی اکسید تیتانیوم (TiO2) که به طور سنتی برای محافظت از فوتوالکترودهای نیمه‌هادی پرهزینه استفاده می‌شود، برطرف کرده است. این لایه محافظ نوآورانه به طور موثر ذرات باردار منفی الکترون تولید شده توسط جذب نور را مسدود می‌کند در حالی که به طور انتخابی به ذرات دارای بار مثبت اجازه می‌دهد تا واکنش‌های اکسیداسیون آب را تسهیل کنند، بنابراین عملکرد فوتوآندها را افزایش داده و از خوردگی جلوگیری می‌کنند.
