Розробка недорогого методу створення чистого палива для сучасних учених є, чимось на зразок пошуків філософського каменю для алхіміків минулого. Але якщо у останніх, судячи з цін на золото, в кінцевому підсумку щось не заладилося, то перші – домагаються певних успіхів у своїх роботах. Одним з таких способів може служити застосування сонячного світла, яке розщеплює воду на її складові - водень і кисень, а потім відокремлювати водень, і використовувати його як паливо. Але процес розщеплення води не такий вже простий.
Двоє вчених з Інституту молекулярної інженерії (IME) і Університет Вісконсин-Медісон серйозно просунулися в справі створення «зеленого» палива, значно поліпшивши ефективність ключових процесів і запропонувавши кілька концептуально нових інструментів, які дозволять більш широко застосовувати технології розщеплення води за допомогою сонячного світла.
У своєму дослідженні, фахівці в галузі електронних структур і симуляторів, професор IME Джулія Галлі (Giulia Galli) і професор хімії Кьйонг-Шин Чой (Kyoung-Shin Choi) Вісконсинського університету знайшли спосіб збільшити ефективність,
з якою електрод, що розщеплює воду адсорбує фотони світла і, в той же час, поліпшили потік електронів від одного електрода до іншого. Симулятор дозволив їм зрозуміти, що відбувається на атомному рівні.
«Наші результати надихнуть інших дослідників у галузі пошуку методів поліпшення декількох процесів за допомогою одного підходу», - говорить Чой. – «Тобто, справа не тільки в досягненні більш високої ефективності, але й створення нової стратегії в цьому напрямку».
Створюючи електрод, який уловлює світлове випромінювання, вчені прагнули використовувати якомога більше спектрів сонячного світла, здатних порушити електрони і перетворити їх в структуру, яка є оптимальною для реакції розщеплення. Досить важливим моментом, хоча і властивим для дещо іншої області проблеми, є необхідність забезпечення легкого переміщення електронів між електродами, що створює електричний струм. Дотепер вченим доводилося вдаватися до окремих маніпуляцій для поліпшення адсорбції фотонів і руху електронів в тестованих ними матеріалах.
Чой зі своїм колегою доктором Те Ву Кім (Tae Woo Kim) прийшли до висновку,
що якщо нагріти електрод, виготовлений з матеріалу на основі ванадату вісмуту, до 350 градусів Цельсія в азотному середовищі, то деякі частинки азоту увійдуть до з'єднання з основним матеріалом. У результаті була поліпшена і адсорбція фотонів, і транспортування електронів, однак, який вплив на це надає азот, залишалося нез'ясованим. Було вирішено звернутися до Галлі з тим, щоб пролити світло на питання за допомогою її симуляторів.
Як повідомляє Phys, за допомогою тестів Галлі виявилося, що азот впливає на електроди декількома способами. Нагрівання в азотному середовищі сприяє виділенню атомів кисню з ванадату вісмуту, створюючи «дефекти», які покращують перенесення електронів. Але пізніше вчені з'ясували, що крім дефектів, переміщенню заряджених частинок сприяє також і сам азот, знижуючи поріг енергії, необхідної для початку перетворення електрода в ту структуру, яка здатна розщеплювати воду. Це означає, що електроди можуть використовувати більше сонячної енергії.
«Тепер ми розуміємо, що відбувається на мікроскопічному рівні», - зазначає Галлі. - «То що наша концепція впровадження носових елементів і нових дефектів в матеріал може бути використана в інших системах, в яких потрібно поліпшити ефективність. Більше того, її можна застосовувати і щодо інших матеріалів».
Процеси, в яких теоретики і практики тісно взаємодіють, є природними для науки. Але коли співпраця фахівців різних областей виникає на такому ранньому етапі - явище, не зовсім звичайне. Двоє вчених «знайшли один одного» за допомогою Національного наукового фонду і створеного ним проекту CCI Solar – інноваційного центру, що об'єднує фахівців різних наукових галузей у пошуках рішень для створення технологій розщеплення води.
