Tyrėjų komanda iš Mičigano universiteto sukūrė naujo tipo kvantines medžiagas, galinčias iš esmės pakeisti vandenilio kuro gamybą, naudojant vien tik saulės šviesą ir vandenį.
Jų proveržis sprendžia iki šiol didelius iššūkius kėlusį fotokatalizinį vandens skaidymą – švaraus vandenilio gamybos metodą. Bandymų metu sukurti eksitoniniai kvantiniai supergardeliai parodė įspūdingą efektyvumą, gaminant švarų vandenilį.
Eksitoniniai kvantiniai supergardeliai
Vandenilio kuras turi milžinišką potencialą mažinant šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas, nes degdamas išskiria tik vandens garus. Ateityje jis galėtų varyti sunkiasvorį transportą – vilkikus, traukinius, laivus – taip pat būti naudojamas pramonei šildyti ir decentralizuotoms elektros gamybos sistemoms. Tačiau tradicinė vandenilio gamyba dažnai remiasi iškastiniu kuru, todėl jo aplinkosauginė nauda iš esmės sumenkinama.
Fotokatalizinio vandens skaidymo metodas naudoja saulės šviesą cheminėms reakcijoms inicijuoti. Tai atveria galimybę didelio masto, aplinkai draugiškai vandenilio gamybai.
Mičigano universiteto mokslininkams pavyko išspręsti seniai žinomą neefektyvių fotokatalizatorių problemą skaidant vandens molekules į vandenilį ir deguonį. Tai leidžia pasiūlyti švaresnę alternatyvą tradiciniams metodams, priklausomiems nuo iškastinio kuro.
Tyrėjai sukūrė eksitoninius kvantinius supergardelius iš itin plonų galio nitrido ir indžio galio nitrido sluoksnių. Šie sluoksniai sudaro periodinę struktūrą, kuri sustiprina optoelektrines savybes. Galiausiai nustatyta, kad šios medžiagos geba skaidyti vandenį ir labai efektyviai gaminti švarų vandenilį.
Žingsnis į priekį švaraus vandenilio gamyboje
Eksperimentų rezultatai buvo itin perspektyvūs. Naudojant šias medžiagas, saulės energijos pavertimo vandeniliu efektyvumas siekė 3,16 procento esant aplinkos sąlygoms ir sutelktai saulės šviesai, o lauko bandymuose, taikant 204 kartus sustiprintą saulės intensyvumą, vidutinis efektyvumas buvo 1,64 procento.
„Švaraus vandenilio gamyba tiesiogiai iš saulės šviesos ir vandens išryškėja kaip perspektyvus kelias siekiant anglies neutralumo ir aplinkos tvarumo“, – rašo tyrėjai savo publikacijoje.
„Tačiau neefektyvus fotogeneruotų krūvininkų panaudojimas fotokatalizatoriuose riboja saulės energijos pavertimo vandeniliu efektyvumą. Mes parodome, kad eksitoninių kvantinių supergardelių struktūrų, sudarytų iš nanometrinio storio galio nitrido ir indžio galio nitrido sluoksnių, taikymas leidžia efektyviai valdyti krūvininkų judėjimą, vykdant bendrą fotokatalizinį vandens skaidymą.“
Kvantiniai efektai ir ateities perspektyvos
Tyrėjų komanda pasinaudojo kvantiškai apriboto Starko efektu, kad pailgintų fotogeneruotų netiesioginių eksitonų – elektronų ir skylių porų, susietų Kulono sąveika – gyvavimo trukmę.
Nors šie bandymų metu pasiekti efektyvumai yra reikšmingas žingsnis į priekį, jie vis dar nesiekia lygio, reikalingo plačiai komercinei technologijos plėtrai. Vis dėlto darbas aiškiai parodo kvantinių supergardelių potencialą fotokatalizinėse sistemose. Ateityje tobulinant medžiagų sudėtį, struktūrą ir reakcijų sąlygas, šią technologiją būtų galima gerokai pagerinti ir pritaikyti kitoms medžiagoms.
Šis proveržis gali padėti išvengti pačių blogiausių klimato kaitos padarinių, spartinant perėjimą prie atsinaujinančių degalų. Didėjant energijos poreikiams, tokios technologijos gali tapti kertiniu sprendiniu siekiant anglies neutralumo, mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro ir kuriant tvaresnę, žalesnę planetą.
