Технология разделения воды с использованием солнечной энергии

Исследователи разработали систему, которая использует энергию горячих электронов для расщепления молекул воды на кислород и водород — сырье для топливных элементов, электрохимических устройств, производящих чистую и эффективную электроэнергию.

Иллюстративное изображение

Исследователи из Университета Райса (США) разработали новый эффективный метод извлечения энергии солнечного света и преобразования ее в чистую возобновляемую энергию путем расщепления молекул воды.

Эта технология основана на конфигурации активируемых светом золотых наночастиц, которые улавливают солнечный свет и преобразуют солнечную энергию в сильно возбужденные электроны, которые ученые называют «горячими электронами».

Нагретые электроны потенциально способны запускать полезные химические реакции, но они очень быстро распадаются, и ученые работают над тем, чтобы использовать их энергию.

Улавливание этих высокоэнергетических электронов до того, как они остынут, может позволить поставщикам солнечной энергии значительно повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество и достичь национальных целей по снижению стоимости солнечной энергии.

В активируемых светом наночастицах свет захватывается и преобразуется в плазмоны — электронные волны, подобные жидкостным, которые распространяются по металлической поверхности наночастиц. Плазмоны — это короткоживущие высокоэнергетические состояния, но исследователи из Университета Райса, а также из других учреждений, находят способы захватывать энергию плазмонов и преобразовывать её в полезное тепло или свет. Плазмонные наночастицы также являются одним из наиболее перспективных методов использования энергии горячих электронов, и исследовательская группа Университета Райса работает над достижением этой цели в нескольких недавних исследованиях.

Исследователи разработали систему, которая использует энергию горячих электронов для расщепления молекул воды на кислород и водород — сырье для топливных элементов, электрохимических устройств, производящих чистую и эффективную электроэнергию.

Для использования горячих электронов исследовательская группа сначала отделила их от соответствующих им «электронных дырок» — низкоэнергетических состояний, которые горячие электроны обходят, получая энергию плазмона. Причина, по которой горячие электроны существуют так недолго, заключается в том, что они имеют тенденцию высвобождать новую энергию и возвращаться в низкоэнергетические состояния. Единственный способ избежать этого — точно настроить систему таким образом, чтобы горячие электроны и электронные дырки быстро разделялись. Традиционный метод, используемый инженерами-электриками, заключается в том, чтобы подтолкнуть горячие электроны к энергетическому барьеру, который действует как односторонний клапан, но этот метод неэффективен.

Система состоит из трех слоев материала. Нижний слой представляет собой тонкий алюминиевый лист, покрытый прозрачным оксидом никеля и посыпанный плазмонными золотыми наночастицами, имеющими форму дисков, напоминающих хоккейную шайбу, диаметром приблизительно 10-30 нм.

Когда солнечный свет падает непосредственно на диск или отражается от алюминия, диски преобразуют световую энергию в горячие электроны. Алюминий притягивает электронные дырки, а оксид никеля пропускает их, удерживая горячие электроны на золотых наночастицах. Исследователи позволили золотым наночастицам действовать в качестве катализатора для расщепления воды, поместив материал на плоскую поверхность и погрузив его в воду. В эксперименте исследовательская группа измерила фототок при расщеплении воды, не измеряя напрямую водород и кислород, образующиеся в результате расщепления.

Согласно Chinhphu.vn