Физики получили топливо из воды и света — без капли нефти. Квантовые слои не дали зарядам убить друг друга

Команда из Мичиганского университета придумала материал, который помогает получать водород из воды с помощью солнечного света эффективнее, чем обычно удаётся в таких экспериментах. Речь о фотокаталитическом расщеплении воды: свет попадает на материал, в нём появляются электрические заряды, и дальше эти заряды запускают реакцию, где на выходе получается водород и кислород. Главная проблема этого подхода годами одна и та же: заряды слишком быстро пропадают, не успев сделать полезную работу. В новой работе исследователи показали конструкцию, которая удерживает их дольше и направляет туда, где они реально участвуют в реакции.

Водород часто называют перспективным топливом из-за того, что при сгорании он даёт водяной пар. Теоретически его можно использовать там, где сложно перейти на батареи: в тяжёлом транспорте, в промышленном отоплении и в локальной генерации энергии. Но на практике значительную часть водорода сегодня получают из ископаемого сырья, поэтому экологическая выгода получается не такой очевидной. Именно поэтому способы производства водорода, которые обходятся без нефти и газа, вызывают столько интереса.

Фотокаталитическое расщепление воды выглядит простым на уровне идеи: берём воду, освещаем её через подходящий материал и получаем водород. На деле всё упирается в то, что свет создаёт в фотокатализаторе электроны и дырки, то есть два типа носителей заряда. Они должны разойтись и добраться до поверхности, чтобы запустить химическую реакцию. Однако чаще всего электроны и дырки быстро встречаются и взаимно уничтожают друг друга. Энергия при этом уходит в тепло, а эффективность падает.

Мичиганская команда решила подойти к этому с позиции материаловедения и квантовой физики. Они сделали экситонные квантовые сверхрешётки из ультратонких слоёв нитрида галлия и нитрида индия-галлия. Сверхрешётка в данном случае означает периодическую стопку слоёв толщиной в нанометры. Такая слоистая структура меняет поведение электронов и дырок: их можно не просто создать светом, но и лучше развести по пространству и направить.

А главный элемент подхода - работа с экситонами. Экситон можно представить как связанную пару электрон плюс дырка, которые удерживаются кулоновским притяжением. В этой работе речь идёт о непрямых экситонах, где электрон и дырка оказываются разнесены по разным областям структуры, например по разным слоям. Благодаря этому они живут дольше и реже рекомбинируют. Исследователи использовали квантово-ограниченный эффект Штарка, чтобы увеличить время жизни таких фотогенерированных непрямых экситонов. Проще говоря, они настроили структуру так, чтобы созданные светом заряды не исчезали слишком быстро, а успевали поучаствовать в переносе заряда и в реакции расщепления воды.

В испытаниях команда получила конкретные цифры по эффективности преобразования солнечной энергии в водород. В лабораторных условиях при окружающей температуре и при концентрированном солнечном свете материал показал КПД преобразования солнечной энергии в водород 3,16%. Дальше авторы провели демонстрации на улице, то есть в режиме, который ближе к идее масштабирования установки. Там средняя эффективность составила 1,64% при освещении, усиленном до уровня 204 солнц. То есть на материал направляли поток света, по мощности примерно в 204 раза выше обычного солнечного излучения.

Сами исследователи подчёркивают, что даже эти значения пока не дотягивают до того, что нужно для массового коммерческого применения. Но работа важна как доказательство подхода: квантовые сверхрешётки в фотокатализе могут заметно улучшать ситуацию за счёт того, что помогают управлять зарядами, которые создаёт свет. Авторы ожидают, что дальнейшая настройка структуры и материалов может поднять эффективность, а сама идея может быть полезна и для других систем, где нужно заставить фотогенерированные заряды работать, а не пропадать.