Команда дослідників з Університету Мічигану створила інноваційний квантовий матеріал, здатний генерувати водень, використовуючи лише сонячне світло та воду.
У своєму дослідженні вчені вирішили проблему фотокаталітичного розщеплення води, що відкриває шлях до виробництва екологічно чистого водню. У ході експериментів їхні екситонні квантові надґратки показали високу ефективність у виробництві водню.
Раніше ми повідомляли, що в США почав працювати перший ядерний реактор, який виробляє енергію, водень та чисту воду. Тим часом у Японії запустили перший у світі комерційний газовий двигун, що використовує 30% водню.
Подальший розвиток цієї технології може підвищити її ефективність та надихнути на створення аналогічних рішень для інших матеріалів. Це важливо для уникнення негативних наслідків кліматичних змін завдяки переходу на поновлювані джерела енергії.
Результати цього дослідження опубліковані в журналі Nature.
Водневе паливо має величезний потенціал для зменшення шкідливих викидів, оскільки при його спалюванні утворюється лише водяна пара. У майбутньому воно може забезпечувати роботу важкої техніки, такої як вантажівки, потяги та кораблі, а також промислові системи опалення та децентралізовані енергосистеми. Проте традиційні методи отримання водню ґрунтуються на спалюванні викопного палива, що знижує екологічні переваги.
Фотокаталітичне розщеплення води здійснюється за допомогою сонячного світла для проведення хімічної реакції. Дослідники з Мічиганського університету успішно вирішили давню проблему низької ефективності фотокаталізаторів, які розщеплюють молекули води на водень та кисень. Вони створили екситонні квантові надґратки, що складаються з ультратонких шарів нітриду галію та нітриду індію-галію. Ця структура покращує оптоелектронні властивості матеріалів, дозволяючи ефективніше розщеплювати воду й виробляти чистий водень.
Випробування показали, що ефективність перетворення сонячної енергії у водень досягла 3,16% за умов навколишнього середовища під концентрованим сонячним світлом, а також в середньому 1,64% під час відкритих тестів за умов сонячної інтенсивності, що у 204 рази перевищувала початкову.
“Виробництво екологічно чистого водню безпосередньо з сонячного світла і води є перспективним шляхом до вуглецевої нейтральності та екологічної стійкості. Однак неефективне використання фотогенеруючих носіїв заряду у фотокаталізаторах знижує ефективність перетворення сонячної енергії у водень. Ми продемонстрували використання екситонних квантових надґраткових структур з нітриду галію та нітриду індію-галію нанометрового масштабу, які ефективно керують зарядом при повному фотокаталітичному розщепленні води,” — зазначають дослідники.
Вони застосували обмежений квантовими силами ефект Штарка для продовження часу існування фотогенерованих непрямих екситонів — пар електронів та дірок, що взаємодіють через кулонівські сили. Хоча досягнута ефективність є важливим кроком вперед, вона поки ще не достатня для широкого комерційного застосування. Проте дослідження показує великий потенціал квантових надґраток в фотокаталітичних системах.
У Південній Кореї будують найбільшу у світі електростанцію на водневих паливних елементах.
“Виробництво екологічно чистого водню безпосередньо з сонячного світла і води є перспективним шляхом до вуглецевої нейтральності та екологічної стійкості. Однак неефективне використання фотогенеруючих носіїв заряду у фотокаталізаторах знижує ефективність перетворення сонячної енергії у водень. Ми продемонстрували використання екситонних квантових надґраткових структур з нітриду галію та нітриду індію-галію нанометрового масштабу, які ефективно керують зарядом при повному фотокаталітичному розщепленні води,” — зазначають дослідники.
Які ваші думки про цю статтю? Поділіться своїми враженнями!