Το Πυρίτιο Καρβίδιο Βελτιώνεται ως Υποψήφιος για τη Φωτοκαταλυτική Παραγωγή Υδρογόνου

Γιατί το Υδρογόνο είναι Απαραίτητο για την Αποανθρακοποίηση

Καθώς η προσπάθεια αποανθρακοποίησης των ενεργειακών μας συστημάτων συνεχίζεται, γίνεται σαφές ότι ορισμένες διαδικασίες ενδέχεται να απαιτούν περισσότερα από απλή πράσινη ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό ίσως ισχύει για τις μεταφορές, ιδιαίτερα για βαριές εργασίες όπως λεωφορεία και φορτηγά, σίγουρα για τη ναυτιλία και την αεροπορία, και εξίσου απαιτείται για βαριές βιομηχανίες όπως η παραγωγή χάλυβα και χημικών.

Ο λόγος είναι ότι ορισμένες εφαρμογές χρειάζονται είτε πολύ υψηλή θερμοκρασία καύσης (μεταλλουργία), την παροχή ενεργητικών ατόμων υδρογόνου χωρίς τη χρήση μεθανίου (χημική βιομηχανία), ή ένα πολύ ενεργειακά πυκνό καύσιμο (ναυτιλία), για τα οποία η ηλεκτρική ενέργεια και οι μπαταρίες δεν είναι επαρκείς.

«Τα επιβατικά αυτοκίνητα μπορούν να έχουν μπαταρία, αλλά τα βαριά φορτηγά, τα πλοία ή τα αεροσκάφη δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν μπαταρία για την αποθήκευση της ενέργειας. Για αυτά τα μέσα μεταφοράς, πρέπει να βρούμε καθαρές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, και το υδρογόνο είναι ένας καλός υποψήφιος.»
Jianwu Sun – Αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Linköping

Γι’ αυτό οι ερευνητές και οι κλιματικοί ακτιβιστές εξετάζουν το πράσινο υδρογόνο, που παράγεται χωρίς ορυκτά καύσιμα, ως εναλλακτική λύση. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι η παραγωγή πράσινου υδρογόνου μέχρι τώρα ήταν πολύ δαπανηρή για να επιτρέψει μαζική υιοθέτηση έναντι των ορυκτών καυσίμων.

Πώς να Λύσουμε την Πρόκληση της Παραγωγής Πράσινου Υδρογόνου

Μέχρι τώρα, οι περισσότερες μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου λειτουργούν με μια διπλή διαδικασία:

1. Πρώτα, παράγετε πράσινη ενέργεια με ηλιακή, αιολική, υδροηλεκτρική ή οποιαδήποτε άλλη μορφή ανανεώσιμης ενέργειας.
2. Δεύτερον, χρησιμοποιήστε αυτή την πράσινη ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσετε την καταλυτική διάσπαση του νερού σε υδρογόνο.

Το πρόβλημα είναι ότι κάθε πολυβήμα διαδικασία είναι αναγκαστικά λιγότερο αποδοτική.

Για παράδειγμα, το ηλιακό φως μετατρέπεται σε ενέργεια από τα ηλιακά πάνελ με απόδοση μόνο 20-25 %; στη συνέχεια, η ενέργεια μεταφέρεται σε έναν καταλύτη υδρογόνου, ο οποίος επίσης έχει σχετικά χαμηλή απόδοση. Στο τέλος, η συνολική απόδοση από ηλιακή ενέργεια σε υδρογόνο πιθανότατα βρίσκεται στα χαμηλά μονάδες ποσοστών.

Και υπάρχει το ζήτημα του κόστους. Ο καταλύτης πιθανότατα καταναλώνει σπάνια μέταλλα όπως πλατίνα ή παλλάδιο. Η παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας επίσης χρησιμοποιεί σπάνια υλικά όπως άργυρο, και η μεταφορά ενέργειας από το ηλιακό πάρκο στον καταλύτη συχνά απαιτεί τεράστιες επενδύσεις.

Τέλος, οι περισσότεροι καταλύτες παραγωγής υδρογόνου απαιτούν σταθερό επίπεδο ηλεκτρικής ενέργειας, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να προστεθούν μεγάλα συστήματα μπαταριών ως επιπλέον στοιχεία στην απαιτούμενη υποδομή.

Υπάρχουν πολλές πιθανές προσεγγίσεις για την επίλυση αυτού του ζητήματος που εξετάζονται. Για παράδειγμα, συζητήσαμε προηγουμένως:

• Χρήση διαφορετικών υλικών για την παραγωγή υδρογόνου, όπως το βανάδιο-κόβαλτο ή το νικέλιο.
• Χρήση απορριμμάτων μετάλλων από την επεξεργασία πλατίνας και κοβάλτου.
• Δημιουργία τεχνητής φωτοσύνθεσης με νανοσωματίδια ρουθενίου.

Κάθε μία από αυτές τις μεθόδους θα μπορούσε τελικά να δημιουργήσει φθηνότερους καταλύτες που δεν απαιτούν μεγάλο ποσό φρέσκιας πλατίνας για την παραγωγή υδρογόνου.

Μια νέα προσέγγιση είναι η άμεση φωτοκαταλυτική διάσπαση, δηλαδή η μετατροπή του νερού σε υδρογόνο απευθείας από την ενέργεια του ηλιακού φωτός, χωρίς πρώτα μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια. Η άμεση φωτοκαταλυτική διάσπαση όχι μόνο μπορεί να αφαιρέσει την ανάγκη για πολλαπλά βήματα, αλλά επίσης χρησιμοποιεί πιο απλά και λιγότερο σπάνια υλικά για την κατασκευή πράσινης παραγωγής ενέργειας και υποδομών.

Αυτή είναι η προσέγγιση που προωθούν ερευνητές του Πανεπιστημίου Linköping (Σουηδία), του Πανεπιστημίου Kyushu (Ιαπωνία), του Εργαστηρίου MAX IV (Σουηδία) και του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Dalian (Κίνα). Δημοσίευσαν την τελευταία πρόοδό τους στο Journal of the American Chemical Society με τίτλο «Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C-SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting».

Πυρίτιο Καρβίδιο για Φωτοκαταλυτική Παραγωγή

Πώς το Πυρίτιο Καρβίδιο Ενεργοποιεί την Άμεση Φωτοκαταλυτική Παραγωγή

Αυτή η ερευνητική ομάδα είχε προηγουμένως εργαστεί με ένα υλικό που ονομάζεται κυβικό πυρίτιο καρβίδιο (3C-SiC).

Πηγή: RRL Solar

Το υλικό μπορεί να απορροφήσει αποτελεσματικά το ηλιακό φως για την παραγωγή υδρογόνου μέσω της φωτοχημικής αντίδρασης διάσπασης του νερού.

Πηγή: RRL Solar

Όταν το ηλιακό φως χτυπά το υλικό, δημιουργούνται ηλεκτρικά φορτία (όπως σε ένα πολυσιλικό ηλιακό πάνελ), τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για τη διάσπαση του νερού.

Μία πρόκληση στην ανάπτυξη υλικών για αυτή την εφαρμογή είναι η αποτροπή της επανασύνδεσης των θετικών και αρνητικών φορτίων, που θα τα εξουδετέρωναν.

Έτσι, για να γίνει η διάσπαση του νερού σε υδρογόνο πιο αποτελεσματική, είναι σημαντικό να διατηρούνται τα ηλεκτρικά φορτία χωριστά.

Νέος Τρι-Στρωματικός Σχεδιασμός Καταλύτη από Πυρίτιο Καρβίδιο

Οι ερευνητές συνδύασαν μια στρώση κυβικού πυριτίου καρβιδίου με δύο άλλες στρώσεις, χρησιμοποιώντας νικελίου υδροξείδιο (Ni(OH)2) και οξείδια κοβάλτου (Co3O4).

Η ομάδα είχε προηγουμένως τελειοποιήσει την παραγωγή κυβικού πυριτίου καρβιδίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο εξάτμισης, επιβεβαιώνοντας την ποιότητα του κρυστάλλου με ακτινογραφική διάθλαση (XRD).

Πηγή: Journal of the American Chemical Society

Επιβεβαίωσαν επίσης ότι η διεπαφή μεταξύ των στρωμάτων αύξησε τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρικών φορτίων, αυξάνοντας την πιθανότητα τα ηλεκτρόνια να χρησιμοποιηθούν σε χημικές αντιδράσεις διάσπασης του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο.

«Είναι μια πολύπλοκη δομή, έτσι η εστίασή μας σε αυτή τη μελέτη ήταν να κατανοήσουμε τη λειτουργία κάθε στρώματος και πώς συμβάλλει στη βελτίωση των ιδιοτήτων του υλικού.

Το νέο υλικό έχει οκτώ φορές καλύτερη απόδοση από το καθαρό κυβικό πυρίτιο καρβίδιο για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο.»
Jianwu Sun – Αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Linköping

Επόμενα Βήματα για τη Βελτίωση της Αποδοτικότητας της Φωτοκαταλυτικής Παραγωγής

Μέχρι τώρα, η φωτοκαταλυτική διάσπαση με πυρίτιο καρβίδιο έχει καταφέρει μόνο απόδοση ενέργειας 1-3 %.

Η παρουσία μιας «P-Type» στρώσης οξειδίου κοβάλτου κάτω από δομές νικελίου υδροξειδίου επιταχύνει την κίνηση των ηλεκτρονίων, αυξάνοντας την ταχύτητα παραγωγής υδρογόνου.

Πηγή: Journal of the American Chemical Society

Αν και δεν έχει φτάσει ακόμη εκεί, οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτό θα μπορούσε να βελτιωθεί σημαντικά με τη μέθοδό τους.

Τελικά, αναμένεται απόδοση >10 % χωρίς την ανάγκη για πλατίνα ή παλλάδιο, χωρίς περίπλοκη υποδομή ή απαίτηση συνεχούς παροχής ενέργειας, με την παραγωγή υδρογόνου να συμβαίνει άμεσα μόλις ο ήλιος φωτίσει τη συσκευή.

Επένδυση σε Εταιρείες Πυριτίου Καρβιδίου

ON Semi

Η ON Semi είναι μια εταιρεία ημιαγωγών που ειδικεύεται στην ηλεκτροποίηση, συμπεριλαμβανομένου του αυτοκινητοβιομηχανικού τομέα, αλλά και άλλων τομέων όπως η ηλιακή ενέργεια, οι μπαταρίες, η αεροδιαστημική, οι τηλεπικοινωνίες, τα κέντρα δεδομένων και η ιατρική.

Ως εκ τούτου, αποτελεί βασικό συνεργάτη για πολλές από τις μεγαλύτερες βιομηχανικές εταιρείες παγκοσμίως.

Πηγή: ON Semi

Ένα μεγάλο μέρος του τεχνολογικού πλεονεκτήματος της ON Semi βασίζεται στο πυρίτιο καρβίδιο, έναν τύπο σύνθεσης πυριτίου-άνθρακα που χρησιμοποιείται για συστήματα υψηλής ενέργειας. Επιτρέπει ιδιαίτερα υψηλά φορτία ισχύος που απαιτούνται για τη γρήγορη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Το πυρίτιο καρβίδιο είναι το χημικό που χρησιμοποιήθηκε πρόσφατα από ερευνητές για την ανάπτυξη ημιαγωγικού γραφενίου, όπως συζητήθηκε στο άρθρο μας «Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?» και όπως αναφέρεται εδώ, έχει επίσης τη δυνατότητα παραγωγής υδρογόνου.

Η στρατηγική της ON Semi να εστιάσει περισσότερο στο πυρίτιο καρβίδιο οδήγησε σε αύξηση εσόδων της εταιρείας τα τελευταία χρόνια, ενισχυμένη από την επανάσταση των ηλεκτρικών οχημάτων.

Πηγή: ON Semiconductor

Όλο και πιο ισχυρές και αποδοτικές μπαταρίες και ηλεκτρικά συστήματα που χρησιμοποιούν πυρίτιο καρβίδιο γίνονται ολοένα και πιο σημαντικά στην παγκόσμια αλυσίδα εφοδιασμού. Ως ηγέτης στον κλάδο, η ON Semi πιθανότατα θα ωφεληθεί σημαντικά από την τάση της ηλεκτροποίησης, ιδιαίτερα των ηλεκτρικών οχημάτων και άλλων πράσινων ενεργειών.

(Μπορείτε επίσης να διαβάσετε μια πιο εκτενή ανάλυση για αυτήν την εταιρεία στο “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Τελευταία Νέα και Εξελίξεις για τις Μετοχές της ON Semi (ON)

Μελέτη Αναφορά

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) Διαχείριση της Ηλεκτρονικής Δομής μέσω Διπλής-Διεπαφικής Μηχανικής του Φωτοανόδου 3C‑SiC για Βελτιωμένη Ηλιακή Διάσπαση του Νερού. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}