Группа ученых из Мичиганского университета разработала инновационный квантовый материал, который позволяет эффективно получать водород, используя лишь солнечный свет и воду. Этот прорыв в сфере фотокаталитического расщепления воды открывает путь к экологически чистому производству водородного топлива.
Об этом сообщает ProIT
Принцип работы квантовых наноструктур
Исследователи создали специальные экситонные квантовые наноструктуры, состоящие из нитрида галлия и нитрида индия-галлия. Благодаря сверхтонким слоям эти материалы формируют периодическую структуру, которая значительно улучшает оптоэлектронные свойства и обеспечивает более эффективное расщепление молекул воды на водород и кислород под действием солнечного света. Такой подход позволяет снизить зависимость от традиционных способов производства водорода, которые основаны на ископаемом топливе и сопровождаются значительными вредными выбросами.
Результаты исследований и перспективы применения
Во время экспериментов удалось получить водород с эффективностью преобразования солнечной энергии на уровне 3,16% под концентрированным светом в лабораторных условиях и в среднем 1,64% во время испытаний на открытом воздухе, где интенсивность солнечного излучения превышала исходный уровень в 204 раза. Хотя эти показатели еще не позволяют массово внедрить технологию в промышленность, результаты свидетельствуют о значительном прогрессе в области экологической энергетики.
“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 наноструктур, состоящих из нитрида галлия и нитрида индия-галлия нанометрового масштаба, для эффективного управления зарядом при фотокаталитическом полном расщеплении воды”, — объясняют исследователи.
Команда ученых применила ограниченный квантовыми силами эффект Штарка, который позволяет продлить жизнь фотогенерированных экситонов — пар электронов и дырок, которые играют ключевую роль в расщеплении воды. Это существенно повышает эффективность процесса. В то же время разработчики признают, что для широкого коммерческого использования необходимо дальнейшее совершенствование технологии.
Ученые уверены, что дальнейшие исследования могут повысить эффективность преобразования энергии и создать предпосылки для появления подобных материалов в других сферах. Такой развитие будет способствовать отказу от ископаемого топлива и снижению негативного влияния на климат.
Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature.