Физики удешевили искусственный фотосинтез
Эффективное расщепление воды на составляющие ее кислород и водород откроет двери для водородной энергетики и других прорывных технологий. Новые метод искусственного фотосинтеза легко масштабируется, а его устройства можно создавать на существующем производстве
Еще в 1970-х годах ученые изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но неспособность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для реализации таких процессов, не позволила искусственному фотосинтезу воплотиться в жизнь. Для этого необходимы материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разрушаются во время реакций фоторасщепления воды.
Решить эту проблему можно, если объединить несколько материалов в один. Одни будут решать проблему эффективного преобразования солнечного света в энергию, необходимую для начала реакции расщепления, а другие будут отвечать за стабильность структуры. На роль таких веществ подходят чистый кремний и его диоксид. Однако, это создает еще одну проблему — электроны и дырки, появившиеся при поглощении солнечного света в кремнии, должны быть способны легко перемещаться через слой диоксида кремния. Для этого обычно требуется, чтобы слой диоксида кремния был не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите поглощающего материала от деградации.
Ключом к решению этой проблемы стал метод синтеза электропроводящих путей в толстом слое диоксида кремния. Он требует мало затрат и легко масштабируется на производственных мощностях. Авторы новой работы использовали технику, впервые примененную в производстве полупроводниковых электронных чипов. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия, а затем нагревая всю структуру, ученые получили массивы наноразмерных «шипов» из алюминия, которые полностью пронизывают слой диоксида кремния при его формировании. Эти шипы можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.
При освещении солнечным светом такие устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде. Также они показывают очень высокую стабильность при длительной работе. Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, они должны быть легко масштабируемы при массовом производстве.
Статья об открытии опубликована в журнале Nature Communications.