Исследователи UMich продемонстрировали устройство искусственного фотосинтеза, которое в 10 раз эффективнее и в 100 раз меньше по размеру, чем предыдущие приборы такого типа.
Подавляющее большинство энергии, необходимой для жизни на Земле, исходит от солнца, и большая ее часть, включая пищу и ископаемое топливо, является результатом фотосинтеза растений — преобразования солнечного света, воды и углекислого газа в кислород и сахара. Первый химический этап фотосинтеза происходит в хлорофилле, который придает листьям зеленый цвет, и этот этап фактически представляет собой операцию расщепления воды, которая расщепляет Н2О на кислород, который выделяется в воздух, и положительно заряженные ионы водорода, которые управляют оставшейся частью процесса и в конечном итоге позволяют растениям запасать энергию в форме углеводов.
Пока человечество работает над тем, чтобы освободиться от вредных побочных эффектов ископаемого топлива, исследователи занимаются воспроизведением природных технологий, надеясь разработать методы искусственного фотосинтеза, которые в конечном итоге могут стать самым дешевым способом производства «зеленого» водорода для использования в качестве носителя энергии.
Недавно ученые опубликовали в журнале Nature статью, посвященную новому фотокаталитическому полупроводнику, который использует широкий спектр солнечного света для расщепления воды с твердой эффективностью 9% — почти в десять раз лучше, чем у других устройств такого типа. Это крошечное и относительно доступное в финансовом плане устройство, которое со временем будет работать все лучше.
«Мы уменьшили размер полупроводника более чем в 100 раз по сравнению с некоторыми полупроводниками, работающими только при низкой интенсивности света», — рассказал Пэн Чжоу, научный сотрудник в области электротехники и вычислительной техники и первый автор исследования. По его словам, так можно получить исключительно дешевый водород.
Как это устроено
В новой технологии используется концентрированный солнечный свет — опция, которая недоступна для многих других устройств искусственного фотосинтеза, поскольку интенсивный свет и высокие температуры приводят к их выходу из строя. Но полупроводник UMich, анонсированный отдельной командой в прошлом году и сделанный из наноструктур нитрида индия-галлия, выращенных на поверхности кремния, не только очень хорошо выдерживает свет и тепло, но и со временем повышает эффективность производства водорода.
Там, где другие системы стремятся избежать тепла, это устройство зависит от него. Полупроводник поглощает более высокочастотные волны света, чтобы обеспечить процесс расщепления воды, и помещается в камеру, по которой течет вода. Низкочастотный инфракрасный свет используется для нагрева камеры примерно до 70 ° C, что ускоряет реакцию разделения воды, а также подавляет тенденцию молекул водорода и кислорода к рекомбинации в молекулы воды, прежде чем они могут быть отдельно собраны.
Устройство достигло эффективности 9% в идеализированных лабораторных испытаниях с использованием очищенной воды. При переходе на водопроводную воду он достиг около 7%. А в ходе испытаний на открытом воздухе, имитирующих крупномасштабную фотокаталическую систему разделения воды, работающую от сильно меняющегося естественного солнечного света, она показала эффективность 6,2%.