Искусственный фотосинтез стал в 2 раза эффективнее

«Хотя 3% эффективность может показаться низкой, если рассматривать ее в контексте 40-летних исследований этого процесса, на самом деле это большой прорыв». «Естественный фотосинтез, в зависимости от того, как его рассчитывать, имеет эффективность преобразования энергии около 0,6%». 5% эффективность является порогом для коммерциализации технологии

Стабильное устройство для искусственного фотосинтеза удваивает эффективность использования солнечного света для разделения как пресной, так и соленой воды, генерируя водород для топливных элементов. Кроме этого, оно может быть перенастроено так, чтобы преобразовывать углекислый газ в ценные химические соединения.

Водород - самое чистое топливо, при сжигании которого единственным источником выбросов является вода. Но производство водорода не всегда является экологически чистым. Обычные методы требуют переработки природного газа или наличия большого количества электроэнергии. Метод, называемый прямым солнечным расщеплением воды, использует только воду и солнечный свет.

«Если можно будет хранить солнечную энергию в виде химического топлива, как происходит в природе при фотосинтезе, можно решить фундаментальную проблему возобновляемой энергетики». «Проблема с солнечными элементами заключается в том, что они не могут сохранять электричество без батарей, которые имеют высокую стоимость и ограниченный срок службы».

Важно отметить, что способность непосредственно разделять морскую воду идеально подходит для крупномасштабного преобразования солнечной энергии в электричество. Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в развитии метода фотоэлектрохимического (PEC) расщепления за последние десятилетия, он не подходит для воды с почти нейтральным pH, как у морской.

Устройство, использующее прямое солнечное расщепление воды, может быть изготовлено из тех же широко используемых материалов, что и солнечные элементы, и другая электроника, в том числе изготовленная из кремния и нитрида галлия (часто встречаются в светодиодах).

В исследовании предлагается и демонстрируется многополосный фотохимический диод InGaN (PCD), состоящий из листов нанометрового размера, который может самопроизвольно вызывать разделение носителей заряда и направлять их в направлении отдельных окислительно-восстановительных центров для окисления воды и восстановления протонов.

При синтезе нанолистовой структуры фотохимического диода InGaN, концентрации легирующей примеси (Mg) рационально подбираются так, чтобы создать большое встроенное электрическое поле между двумя параллельными поверхностями. Следствием протекания этого процесса становится обогащение поверхностей фотогенерированными отверстиями («дырками») и электронами для проведения реакций окисления воды и восстановления протонов соответственно.

В дополнение к эффективному разделению и извлечению носителей заряда, пространственное разделение каталитических центров в таком наноразмерном фотохимическом диоде эффективно уменьшает рекомбинацию носителей и обратную реакцию. Способность достигать контролируемого разделения и извлечения носителей заряда на наноуровне способствует устранению узкого места эффективности искусственного фотосинтеза, включая снижение содержания СО₂ для углеводородного топлива.

Предыдущие прямые солнечные сплиттеры достигали чуть более 1% стабильной солнечно-водородной эффективности преобразования энергии в пресной или соленой воде. Другие подходы страдают от использования дорогостоящих, неэффективных или нестабильных материалов, таких как диоксид титана, что также может включать добавление сильнокислых растворов для достижения более сильной реакции.

В текущей работе исследователи достигли более чем 3% эффективности преобразования солнечной энергии и получения водорода. Чтобы достичь этих показателей, команда построила наноразмерные «городские пейзажи» из нитрида галлия, создающие электрическое поле.

«Хотя 3%-ая эффективность может показаться низкой, если рассматривать ее в контексте 40-летних исследований, на самом деле это большой прорыв». «Естественный фотосинтез, в зависимости от того, как его рассчитывать, имеет эффективность около 0,6%». 5%-ая эффективность является порогом для коммерциализации технологии.

Источник: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04067-1