Terobosan dalam fotolisis surya air untuk produksi hidrogen

Pengenalan strategi "puncak karbon" dan "netral karbon" telah menyebabkan pengurangan emisi karbon, dengan hidrogen menjadi pilihan yang menarik sebagai bahan bakar bersih. Di sisi lain, hidrogen juga dibutuhkan untuk banyak proses kimia, seperti produksi pupuk. Namun, saat ini hidrogen diperoleh terutama melalui konversi air dan gas, sebuah proses yang tidak hanya menghasilkan emisi karbon yang besar tetapi juga mengkonsumsi energi panas dalam jumlah besar.

Fotosintesis alami (tanaman menggunakan sinar matahari untuk mendapatkan atom hidrogen dari air) sudah dikenal luas, tetapi apakah ada teknik "fotosintesis buatan" untuk mendapatkan hidrogen? Produksi hidrogen fotokatalitik berdasarkan hidrolisis total adalah teknologi yang ramah lingkungan dan berkelanjutan yang hanya mengkonsumsi sinar matahari dan air dan tidak menghasilkan emisi karbon, itulah sebabnya saat ini menarik banyak perhatian. Namun, efisiensi konversi surya ke hidrogen (STH) yang rendah dari THM fotokatalitik saat ini membatasi aplikasi praktisnya.

Dengan mengingat hal ini, tim Profesor Yonezawa di University of Michigan telah mengembangkan strategi untuk mencapai efisiensi STH hingga 9,2 persen menggunakan air murni, sinar matahari pekat, dan fotokatalis indium gallium nitrida, yang meniru langkah kunci dalam fotosintesis alami. Eksperimen di luar ruangan menunjukkan bahwa ini merupakan lompatan besar untuk teknologi, hampir 10 kali lebih efisien daripada eksperimen pemisahan air matahari yang sebanding. Secara khusus, para peneliti telah menunjukkan bahwa disintegrasi air total fotokatalitik pada permukaan InGaN/GaN tidak hanya mendorong reaksi dekomposisi air maju tetapi juga menghambat reaksi kompleksasi hidrogen-oksigen terbalik melalui efek termal inframerah yang dihasilkan oleh sinar matahari terfokus intensitas tinggi, memungkinkan Kawat nano InGaN menunjukkan efisiensi disintegrasi air total fotokatalitik yang sangat tinggi. Hasil penelitian tersebut dipublikasikan dalam edisi terbaru Nature dengan judul "Efisiensi matahari-ke-hidrogen lebih dari 9 persen dalam pemisahan air fotokatalitik".

Para peneliti mencapai efisiensi STH yang tinggi sebesar 9,2 persen menggunakan air murni, sinar matahari pekat, dan fotokatalis indium gallium nitride. Keberhasilan strategi dalam makalah ini berasal dari efek sinergis dalam mempromosikan evolusi hidrogen-oksigen ke depan dan menghambat rekombinasi hidrogen-oksigen terbalik, yang dapat dicapai dengan beroperasi pada suhu reaksi optimal (~70 derajat Celcius), langsung dengan memanen sebelumnya menyia-nyiakan cahaya inframerah dari sinar matahari. Selain itu, strategi yang bergantung pada suhu ini juga menghasilkan efisiensi STH ~7 persen dari air keran dan air laut yang tersedia secara luas, dan 6,2 persen dalam sistem pemisahan air fotokatalitik besar dengan kapasitas cahaya matahari alami sebesar 25 7W. Penelitian ini memberikan pendekatan praktis untuk produksi bahan bakar hidrogen yang efisien dari sinar matahari alami dan air, mengatasi hambatan efisiensi produksi hidrogen surya.