Исследователи разрабатывают более экологичную альтернативу топливу

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

Слева направо: Джеймс Кахун и Тейлор Тейтсворт. Автор: Стив Эксум

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

Пятьдесят лет назад ученые впервые продемонстрировали, что жидкую воду можно расщепить на кислород и газообразный водород, используя электричество, вырабатываемое при освещении полупроводникового электрода. Хотя водород, вырабатываемый с использованием солнечной энергии, является многообещающей формой чистой энергии, низкая эффективность и высокая стоимость препятствуют внедрению коммерческих водородных установок на солнечных батареях.

Анализ экономической целесообразности показывает, что использование суспензии электродов, изготовленных из наночастиц, вместо жесткой конструкции солнечных панелей может существенно снизить затраты, делая водород, производимый на солнечной энергии, конкурентоспособным с ископаемым топливом. Однако большинство существующих катализаторов на основе частиц, активируемых светом, 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 Чапел-Хилл, и его коллеги из отдела работают над химическим синтезом полупроводниковых наноматериалов с уникальными физическими свойствами, которые могут обеспечить целый ряд технологий, от солнечных элементов до твердотельной памяти. Кахун является соответствующим автором результатов, опубликованных 9 февраля в журнале Nature.

Кахун и его команда разработали новые кремниевые нанопроволоки с несколькими солнечными элементами вдоль их оси, чтобы они могли вырабатывать энергию, необходимую для расщепления воды.

"Эта конструкция не имеет аналогов в предыдущих конструкциях реакторов и впервые позволяет использовать кремний в PSR", - объяснил Тейлор Тейтсворт, 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 обилие, низкую токсичность и стабильность. С его электронными свойствами единственный способ обеспечить беспроводное расщепление воды частицами кремния - это закодировать несколько фотоэлектрических элементов в каждой частице. Это может быть достигнуто путем генерации частиц, которые содержат множество интерфейсов, называемых переходами, между двумя различными формами кремния — полупроводниками p-типа и n-типа.

Ранее исследования Кахуна были сосредоточены на синтезе снизу вверх и пространственно контролируемой модуляции силикона с 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 расщепляющих воду многопереходных наночастиц. Они сочетают материальные и экономические преимущества кремния с фотонными преимуществами нанопроводов, диаметр которых меньше длины волны поглощаемого света ", - сказал Кахун. "Из-за присущей асимметрии соединений проводов мы смогли использовать электрохимический метод, управляемый светом, для выборочного нанесения сокатализаторов на концы проводов, чтобы обеспечить расщепление воды".

Предоставлено Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл