تولید سوخت خورشیدی نشان دهنده یک رویکرد تحول آمیز به انرژی تجدید پذیر است، با هدف جذب و ذخیره نور خورشید در قالب سوخت های شیمیایی مانند هیدروژن، متان، یا هیدروکربن مایع، با تقلید از فتوسنتز طبیعی، این تکنولوژی ارائه می دهد یک مسیر برای کاهش کربن بخش هایی که سخت به الکتریکی، از جمله حمل و نقل، حمل و نقل، و صنعت سنگین است.

بنیادهای فتوکاتالینی Heterogenious Catalysis

کاتالیز ناهمگنی فوتونی به تعامل بین نور، یک کاتالیزور جامد و مولکول های واکنش دهنده در سطح کاتالیزور متکی است.این فرایند معمولاً زمانی شروع می شود که یک نیمه هادی فوتون ها را با انرژی بیشتر یا برابر با گروه های خود جذب می کند، الکترون های هیجان انگیز از باندvalence به گروه رسانای هدایت می کند.

معیارهای عملکرد کلیدی شامل کارایی کوانتومی (بخش فوتون های جذب شده که حامل های شارژ مفید تولید می کنند)، بهره وری خورشیدی به هیدروgen (STH) برای تقسیم آب و انتخاب به سمت محصولات کربن مطلوب در کاهش CO2 است. این زمینه بسیار میان رشته ای، پر کردن فیزیک حالت جامد، شیمی سطح و مهندسی واکنش است.

پیشرفت های اخیر در مواد فتوکاتی

معماری های نیمه هادی

مواد سنتی مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO2) مدت ها مورد مطالعه قرار گرفته اند، اما از طیف گسترده ای رنج می برند (3.2AV برای aatase) که جذب به منطقه فرابنفش را محدود می کند، آخرین پیشرفت ها بر گسترش جذب عالی و نزدیک به محدوده مادون قرمز، که بخش بزرگتری از طیف خورشیدی را تشکیل می دهد، به عنوان مثال، Bism oxyhalides (e0، تجزیه و تحلیل کلی آب نشان داده اند.

تغییرات سطح و استراتژی های دوپینگ

دوپینگ با عناصر خارجی - هر دو cations و anions - می تواند باند را محدود کند (gap)، کشورهای اواسطه را معرفی کند و تحرک حامل شارژ را بهبود بخشد، به عنوان مثال، TiO2 نیتروژن پردازش شده نور قابل مشاهده را جذب می کند، در حالی که تراکم گوگرد می تواند ثبات نیتید کربن گرافی (g-C3N4) را افزایش دهد، یکی دیگر از تکنیک های قدرتمند، کاتالیزور الکترون خالی است.

نانوساختار برای عملکرد پیشرفته

ابعاد کاتالیزور کوچک به مقیاس نانو به طور چشمگیری نسبت سطح به حجم را افزایش می دهد، ارائه سایت های فعال تر در هر توده واحد علاوه بر این، نانوساختار می تواند مسیرهای انتشار حامل شارژ را کوتاه کند، کاهش تلفات اتصال مجدد شامل آرایه های نانوسیم از Fe2O3 که به عکس های جریان بالا برای اکسیداسیون آب دست می یابد، و فیلم های Tisoporous Ti2 که باعث افزایش جذب هسته ای (F2) و تقویت مواد می شوند:

ادغام Co-Catalysts

حتی بهترین عکس نیمه هادی ها اغلب نیاز به یک co-catalyst دارند تا موانع فعال سازی را کاهش دهند و انتخاب کننده را بهبود بخشند. فلزات نوبل مانند پلاتین، پالادیوم و طلا انتخاب های کلاسیک برای تکامل هیدروژن هستند زیرا آنها انتقال سریع الکترون و عوامل کم عمق را فراهم می کنند.با این حال کمبود و هزینه آنها تحقیقات را به گزینه های جایگزین های جایگزین های جایگزین های نیکل زمین هدایت کرده اند - برای مثال، به طور همزمان (Nibum2)

پیشرفت در CO2 Photoreduction

کاهش دی اکسید کربن به سوخت هایی مانند متانول، متان یا مونوکسید کربن (۱) چالش برانگیزتر از تقسیم آب به دلیل چندین گام انتقال الکترون پروتون-دو و واکنش تکامل هیدروژن رقیب است.[۱۰] پیشرفت با طراحی کاتالیزور با یک سیستم گاز به خوبی تعریف شده است، به عنوان مثال، کاتالیزور تک اتم (SACs) پراکنده در پشتیبانی از نیتروژن مانند نیتروژن یا اتم کربن یکپارچه شده است.

مهندسی Reactor Photocatalytic Reactor

انتقال پیشرفت های آزمایشگاهی به راکتورهای مقیاس پذیر همچنان یک تمرکز اصلی است. [۱] فیلم های کاتالیزوری، راکتورهای ضدعفونی کننده و مونوlithic Shan از هر یک از آنها پشتیبانی می کند که از حمل و نقل انبوه، توزیع نور و بازیابی کاتالیزور جلوگیری می کند: استفاده از فیبرهای نوری یا ساختارهای نور می تواند استفاده از فوتون را بهبود بخشد.

چالش های Overcome

علی رغم این پیشرفت ها، چندین مانع قبل از تولید سوخت خورشیدی فتوکاتاتیک باقی مانده اند که می تواند با جایگزین های فسیلی رقابت کند.

  • رضایت: بهترین گزارش شده STH efficiens برای تقسیم کلی آب ایستاده در حدود 9 تا 12٪ در شرایط آزمایشگاهی، به مراتب کمتر از آستانه 20 تا 25٪ مورد نیاز برای زنده ماندن حمل و نقل شارژ، جذب نور انگل توسط واسطه ها، و کاهش تحرک از فرآیندهای چند الکترونی عملکرد محدود.
  • قابلیت پذیری: بسیاری از فتوکپی های با عملکرد بالا تحت نور مداوم، به ویژه در محیط های پرآشوب، تغییر مرحله، و به دست آوردن اجزای فعال کاهش عمر عملیاتی به ساعت ها یا روزهای پوشش سطح، مانند لایه های نازک Al2O3 یا TiO2، تخریب لایه اتمی، اما کاهش هزینه های تخریب هزینه، اما اضافه کردن هزینه های اضافی.
  • شتاب پذیری: سنتز نانوساختار یافته یا کاتالیزورهای تک اتم اغلب به پیش سازهای گران قیمت و روش های پیچیده متکی است. (به عنوان مثال، متخلخل، الکترود یا چاپ صفحه) باید برای ماژول های عملی توسعه یابد.
  • جدایی محصول: در کاهش CO2 فاز مایع، جدا کردن سوخت های مورد نظر از مخلوط واکنش و CO2 غیر فعال انرژی فشرده است. راکتورهای گاز فاز که به طور مستقیم جریان های خشک محصول را تحت بررسی قرار می دهند، اما کمتر توسعه یافته اند.

مسیر های آینده

نسل بعدی سیستم های فتوکاتاتیک احتمالاً استراتژی های متعددی را در یک پلت فرم مواد منفرد ترکیب می کنند، به عنوان مثال، تنظیمات "Z-scheme" – الهام گرفته توسط فتوسنتز طبیعی – از دو نیمه هادی مختلف مرتبط با یک واسطه رسانای منفرد برای دستیابی به تقسیم کلی آب بدون نیاز به هر ماده برای تجزیه و تحلیل پتانسیل های قرمز آب استفاده می کنند که باعث جذب نور می شوند، و سیستم های کامپیوتری را با سرعت تشخیص داده های دستگاه های جدید در مقیاس تصویر بالا در مقیاس بالا، و ثابت شده اند.

یکی دیگر از راه های امیدوار کننده، اتصال فتوکاتالیز با گام های حرارتی یا الکتروشیمیایی است. Photo-bloiligy، که در آن گرمایش محلی از نور جذب شده واکنش های سطح را تسریع می کند، نشان داده شده است که افزایش نرخ در هیدروژناسیون CO2، علاوه بر این، سیستم های هیبریدی که از سلول های الکتروشیمیایی عکس برای تولید هیدروژن استفاده می کنند و سپس آن را به یک راکتور ترمودینامیکی برای کاهش سنتز از آمونیاک یا آن تغذیه می کنند.

تاثیر بالقوه بر انرژی و محیط زیست

اگر چالش های باقی مانده را بتوان حل کرد، کاتالیز ناهمگنتیک می تواند سوخت های سازگار با زیرساخت های موجود را تامین کند. هیدروژن تولید شده از طریق تقسیم آب خورشیدی می تواند در سلول های سوخت، مخلوط به خط لوله گاز طبیعی، یا تبدیل به آمونیاک برای حمل و نقل و حمل و نقل دریایی، هیدروکربن مصنوعی ساخته شده از 2 گرفته شده و استخراج کربن، کاهش می یابد و مصرف سوخت های فسیلی.

علاوه بر این، فرآیندهای فتوکاتاتیک می توانند در دمای محیط و فشار عمل کنند که طراحی سیستم را در مقایسه با مسیرهای حرارتی بالا ساده می کند. ژنراتورهای سوخت خورشیدی توزیع شده می توانند تولید انرژی غیرمتمرکز را فعال کنند، به ویژه در مناطق غنی از خورشید که در حال حاضر فاقد دسترسی به سوخت های فسیلی ارزان هستند، این سیستم ها با اصول اقتصاد کربن دایره ای با بازیافت CO2 به حامل های انرژی سازگار هستند.

دیدگاه های گسترده تر اقتصادی

انتقال به سوخت های خورشیدی نیازمند سرمایه گذاری قابل توجهی در زیرساخت های تحقیقاتی و حمایت از مقیاس تولید سیاست است، مانند مالیات های کربن یا یارانه های هیدروژن تجدید پذیر، می تواند سرعت بخشیدن به استقرار را افزایش دهد.به همان اندازه مهم است آموزش نیروی کار ماهر قادر به عمل و حفظ این فن آوری های جدید کاهش، سوخت های خورشیدی ممکن است با جایگزین های فسیلی، حتی در قیمت های فعلی نفت، رقابتی شوند.

به طور خلاصه، پیشرفت در کاتالیز ناهمگنی فوتونی به طور پیوسته در حال حرکت تولید سوخت خورشیدی از کنجکاوی آزمایشگاهی به سمت یک واقعیت عملی است.با نوآوری مداوم در طراحی مواد، مهندسی راکتور و ادغام سیستم، این تکنولوژی وعده پایدار، آینده انرژی بی طرف کربن را دارد.