"Нам удалось создать полупроводниковую каталитическую структуру, которая способна переносить очень высокие световые нагрузки, а также при этом уменьшить ее размеры примерно в 100 раз по сравнению с ее аналогами, которые могут выдерживать лишь слабо концентрированный свет. Наше открытие открывает дорогу для производства очень дешевого водорода", - заявил научный сотрудник университета штата Мичиган в Энн-Арборе (США) Чжоу Пэн, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
За последние два десятилетия физики разработали большое число катализаторов или установок по расщеплению воды, способных расщеплять молекулы влаги на кислород и водород при помощи света или электричества. Пока такие системы далеки от практического использования, чему мешает как высокая себестоимость производства водорода и кислорода, так и низкая долговечность их компонентов.
Как отмечают Чжоу Пэн и его коллеги, высокая себестоимость водорода и кислорода связана как с низкой долговечностью катализаторов, так и с низким уровнем их КПД, не превышающим 1%. Это означает, что такие соединения используют лишь 1% от общей энергии солнечного света для расщепления молекул воды. Этот показатель заметно ниже КПД фотосинтеза в листьях растений и в клетках цианобактерий.
Американским физикам удалось решить эту проблему при помощи созданного ими полупроводникового нанокатализатора, способного выдерживать воздействие света, чья яркость примерно в 160 раз превышает нормальное значение для солнечного света. Он представляет собой особо структурированный материал, состоящий из многослойной подложки из кремния, на поверхность которой нанесены микроскопические частицы из соединения азота с индием и галлием.
Эти частицы, в свою очередь, покрыты наносферами из оксидов хрома, родия и кобальта. Как объясняют ученые, размеры и другие физические свойства этих наносфер были подобраны таким образом, что эти структуры одновременно повышали химическую активность частиц из индия, галлия и азота при взаимодействиях с молекулами воды, а также защищали их от разложения при действии "концентрированного" солнечного света.
Последующие опыты показали, что эти структуры производили водород и кислород с рекордно высоким КПД, превышавшим 9,2% в том случае, если вода была нагрета до температуры в 70-75 градусов Цельсия. Как отмечают физики, этого достаточно легко добиться на практике, так как воду можно прогреть при помощи солнечного инфракрасного излучения, попадающего в систему расщепления воды вместе со светом.
По словам Чжоу Пэн и его коллег, им удалось достичь схожего показателя эффективности (6,2%) на прототипе промышленной установки по производству водорода, который был установлен на крыше кампуса университета. При этом использовалась обычная водопроводная вода. Это, как считают исследователи, открывает дорогу для массового производства дешевого водорода уже в ближайшие годы.