Водородное топливо — перспективная альтернатива ископаемому топливу, которое при использовании выделяет только водяной пар и, таким образом, может помочь снизить выбросы парниковых газов на Земле. В будущем его потенциально можно будет использовать в качестве топлива для большегрузных транспортных средств, таких как грузовики, поезда и суда, а также для промышленного отопления и децентрализованных систем выработки электроэнергии.

К сожалению, большинство современных методов производства водорода основаны на сжигании ископаемого топлива, что ограничивает его экологические преимущества. Учитывая его потенциал, многие инженеры-энергетики по всему миру пытаются разработать более устойчивые стратегии крупномасштабного производства водорода.

Один из предложенных методов экологически чистого производства водорода известен как фотокаталитическое расщепление воды . Этот подход предполагает расщепление молекул воды на водород и кислород с использованием фотокатализаторов (то есть материалов, которые реагируют на солнечный свет и инициируют желаемые химические реакции).

Исследователи из Мичиганского университета недавно разработали новые экситонные квантовые сверхрешетки — ультратонкие слоистые сверхпроводящие материалы, в которых образуются пары связанных электронов и дырок (т.е. экситонов), — которые могут обеспечить производство водорода с использованием солнечной энергии. Эти перспективные материалы, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, показали замечательную эффективность в расщеплении воды и производстве чистого водорода.

«Производство экологически чистого водорода непосредственно из солнечного света и воды стало многообещающим путем к достижению углеродной нейтральности и экологической устойчивости», — написали Юян Пан, Бинсин Чжан и их коллеги в своей статье.

«Однако неэффективное использование фотогенерированных носителей заряда в фотокатализаторах снижает эффективность преобразования солнечной энергии в водород. Мы демонстрируем использование экситонных квантовых сверхрешеточных структур, состоящих из нитрида галлия и нитрида индия-галлия нанометрового размера, для эффективного управления зарядом при фотокаталитическом полном расщеплении воды».

Инновационная конструкция квантовой сверхрешетки

Пан, Чжан и их коллеги разработали новые слоистые материалы, которые объединяют полупроводники нитрид галлия и нитрид индия-галлия в так называемую «сверхрешетку». Это периодическая нанометровая структура из двух материалов, обладающая специфическими оптоэлектронными свойствами.

«Благодаря такой структуре время жизни фотогенерированных непрямых экситонов, состоящих из электронов и дырок, взаимодействующих посредством кулоновского взаимодействия, может быть существенно увеличено за счет использования эффекта Штарка, ограниченного квантовыми силами », — написали Пан, Чжан и их коллеги.

«В результате фотогенерированные носители могут эффективно использоваться для поверхностных реакций, достигая высокой внешней квантовой эффективности, распространяющейся на видимый свет, и эффективности преобразования солнечной энергии в водород в 3,16% в условиях окружающей среды и при концентрированном солнечном свете. Кроме того, демонстрация масштабирования на открытом воздухе показала среднюю эффективность преобразования солнечной энергии в водород в 1,64% при 204-кратной интенсивности солнечного света».

Используя явление, известное как квантово-ограниченный эффект Штарка, исследователи смогли увеличить время жизни экситонов в своих тщательно разработанных квантовых сверхрешетках. Затем они протестировали эффективность этих материалов для расщепления воды на водород и кислород с помощью солнечной энергии.

Дальнейшие шаги и практическое применение

В ходе первоначальных лабораторных и полевых экспериментов исследователи обнаружили, что их квантовые материалы позволяют осуществлять преобразование воды в водород с помощью солнечной энергии с эффективностью 3,16% в лабораторных условиях при концентрированном солнечном свете и до 1,64% на открытом воздухе. Эти результаты обнадеживают и подчеркивают потенциал квантовых материалов для реализации фотокаталитического расщепления воды.

Хотя эффективность, о которой сообщили Пан, Чжан и их коллеги, все еще значительно ниже, чем должна быть для широкого внедрения систем расщепления воды, они доказывают жизнеспособность преобразования воды в водород с использованием квантовых сверхрешеток. В будущем представленные исследователями материалы могут быть дополнительно улучшены и могут послужить источником вдохновения для разработки других подобных сверхрешеток.

В конечном итоге это может открыть новые возможности для экологически чистого крупномасштабного производства водорода, способствуя глобальным усилиям, направленным на сокращение выбросов парниковых газов.