В течение десятилетий исследователи по всему миру искали способы использования солнечной энергии для генерации ключевой реакции, чтобы получить водород в качестве чистого источника энергии — расщепления молекул воды с образованием водорода и кислорода. Однако такие усилия в основном не увенчались успехом, потому что высокое качество требует больших затрат.
В новом исследовании учёные из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Известно, что еще в 70-х годах прошлого века ученые изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но неспособность найти материалы с нужной комбинацией свойств, необходимых для устройства, способного эффективно выполнять ключевые химические реакции, не позволила этому методу стать основным.
Новый метод учёных создал еще одну проблему — электроны и дырки, которые возникают от поглощения солнечного света в кремнии, должны быть способны легко перемещаться через слой диоксида кремния. Для этого обычно требуется, чтобы его слой составлял не более нескольких нанометров. Это снижает его эффективность в защите кремниевого поглотителя от деградации.
Ключом к этому решению стал метод создания электропроводящих путей через толстый слой диоксида кремния, который может быть выполнен с низкими затратами и масштабирован до больших объемов производства. Чтобы добраться туда, специалисты использовали технику, впервые примененную в производстве полупроводниковых электронных чипов. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия, а затем нагревая всю структуру, они получили массивы наноразмерных “шипов” алюминия, которые полностью соединяют кремний, образуя двуокисные слои. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.
При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и демонстрировать выдающуюся стабильность при длительной работе. Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, они должны быть легко масштабируемы для массового производства.
Улучшение способа получения водорода является ключом к его появлению в качестве жизнеспособного источника топлива. Большая часть производства водорода в настоящее время происходит за счет нагрева пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.
Профессионалами произведён значимый шаг к “зеленому водороду”, который использует более экологически чистые методы его получения. И упрощение реакции расщепления воды является ключевой частью этих усилий.
В дальнейшем планируется работа над повышением эффективности кислородной части расщепления воды за счет увеличения скорости реакции. Следующая серьезная задача, по мнению учёных, состоит в том, чтобы решить вторую половину уравнения.
