Науковці створили квантовий матеріал, який "витягує" водень з сонця й води

Исследователи из Мичиганского университета разработали квантовый материал для производства водорода только с использованием солнечного света и воды.

В собственном исследовании ученые решили проблемы фотокаталитического расщепления воды для получения экологически чистого водорода. В рамках испытаний их экситонные квантовые сверхрешетки продемонстрировали эффективность в производстве водорода.

Водородное топливо имеет огромный потенциал, связанный с сокращением вредных выбросов, поскольку при сжигании выделяет только водяной пар. В будущем оно будет поддерживать работу тяжелой техники, в частности, грузовиков, поездов и кораблей, а также системы промышленного отопления и децентрализованные системы электроснабжения. В то же время традиционные методы производства водорода базируются на сжигании ископаемого топлива, что снижает экологические преимущества.

Фотокаталитическое расщепление воды использует солнечный свет для проведения химической реакции. Исследователи из Мичиганского университета решили давнюю проблему низкой эффективности фотокатализаторов при расщеплении молекул воды на водород и кислород. Ученые разработали экситонные квантовые сверхрешетки, состоящие из ультратонких слоев нитрида галлия и нитрида индия-галлия. Эти слои образуют периодическую структуру, которая улучшает оптоэлектронные свойства. В итоге исследователи убедились, что эти материалы могут расщеплять воду и производить чистый водород с высокой эффективностью.

Проведенные исследования продемонстрировали эффективность преобразования солнечной энергии в водород на уровне 3,16% в условиях окружающей среды при концентрированном солнечном свете, а также в среднем на 1,64% при демонстрационных испытаниях на открытом воздухе при интенсивности солнечного света, которая в 204 раза превышала начальную.

«Производство экологически чистого водорода непосредственно из солнечного света и воды стало перспективным путем для достижения углеродной нейтральности и экологической устойчивости. Однако неэффективное использование фотогенерирующих носителей заряда в фотокатализаторах снижает эффективность преобразования солнечной энергии в водород. Мы демонстрируем использование экситонных квантовых сверхрешетчатых структур, состоящих из нитрида галлия и нитрида индия-галлия нанометрового масштаба, для эффективного управления зарядом при фотокаталитическом полном расщеплении воды», — объясняют исследователи.

Они использовали эффект Штарка, ограниченный квантовыми силами, чтобы продлить время существования фотогенерированных непрямых экситонов — пар электронов и дырок, связанных кулоновским взаимодействием. И хотя продемонстрированная эффективность является значительным прогрессом, ее все еще недостаточно для широкого коммерческого применения. Однако исследование демонстрирует потенциал квантовых сверхрешеток в фотокаталитических системах.

Дальнейшие усовершенствования могут повысить эффективность и вдохновить на создание аналогичных разработок для других материалов. Дальнейшие достижения могут помочь избежать худших последствий климатических изменений в результате перехода на возобновляемые источники энергии.

До этого мы писали, что в США заработал первый ядерный реактор, который производит энергию, водород и чистую воду. В то же время Япония запустила первый в мире коммерческий газовый двигатель на 30% водорода.