Исследователи разрабатывают более экологичную альтернативу ископаемому топливу, производя водород из воды и света

17 февраля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл

Исследователи из химического факультета Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл разработали кремниевые нанопровода, которые могут преобразовывать солнечный свет в электричество путем расщепления воды на кислород и водород, что является более экологичной альтернативой ископаемому топливу.

Пятьдесят лет назад ученые впервые продемонстрировали, что жидкую воду можно разделить на кислород и водород с помощью электричества, вырабатываемого при освещении полупроводникового электрода. Хотя водород, получаемый с использованием солнечной энергии, является многообещающим видом экологически чистой энергии, низкая эффективность и высокая стоимость препятствуют внедрению коммерческих водородных установок, работающих на солнечной энергии.

Анализ экономической целесообразности показывает, что использование суспензии электродов, изготовленных из наночастиц, вместо жесткой конструкции солнечной панели может существенно снизить затраты, сделав водород, производимый солнечной энергией, конкурентоспособным по сравнению с ископаемым топливом. Однако большинство существующих светоактивируемых катализаторов на основе частиц, также называемых фотокатализаторами, могут поглощать только ультрафиолетовое излучение, что ограничивает их эффективность преобразования энергии при солнечном освещении.

Джеймс Кахун, доктор философии, профессор химии Фонда семьи Хайд в Колледже искусств и наук Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, и его коллеги на кафедре работают над химическим синтезом полупроводниковых наноматериалов с уникальными физическими свойствами, которые могут обеспечить целый ряд технологий, от солнечных батарей до твердотельной памяти. Кахун является автором-корреспондентом результатов, опубликованных 9 февраля в журнале Nature.

Кахун и его команда разработали новые кремниевые нанопровода с несколькими солнечными элементами вдоль своей оси, чтобы они могли производить энергию, необходимую для расщепления воды.

«Эта конструкция является беспрецедентной для предыдущих конструкций реакторов и позволяет впервые использовать кремний в PSR», — объяснил Тейлор Тейтсуорт, научный сотрудник лаборатории Кахуна.

Кремний поглощает как видимый, так и инфракрасный свет. Исторически он был лучшим выбором для солнечных элементов, также называемых фотоэлектрическими элементами и полупроводниками, благодаря этому и другим свойствам, включая его распространенность, низкую токсичность и стабильность. Благодаря его электронным свойствам единственный способ заставить воду расщепляться без проводов с помощью частиц кремния — это закодировать несколько фотоэлектрических элементов в каждой частице. Этого можно достичь путем создания частиц, которые содержат несколько интерфейсов, называемых переходами, между двумя различными формами кремния — полупроводниками p-типа и n-типа.

Ранее исследования Кахуна были сосредоточены на восходящем синтезе и пространственно-контролируемой модуляции кремния бором для нанопроволок p-типа и фосфором для нанопроволок n-типа для придания желаемой геометрии и функциональности.

«Мы использовали этот подход для создания нового класса многопереходных наночастиц, расщепляющих воду. Они сочетают в себе материальные и экономические преимущества кремния с фотонными преимуществами нанопроволок, диаметр которых меньше длины волны поглощаемого света», — сказал Кахун. «Благодаря присущей проводным соединениям асимметрии мы смогли использовать электрохимический метод, управляемый светом, для избирательного нанесения сокатализаторов на концы проводов, чтобы обеспечить расщепление воды».

Больше информации: Тейлор С. Тейтсворт и др., Расщепление воды кремниевыми p–i–n-сверхрешетками, взвешенными в растворе, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-022-05549-5