Dauguma Žemės gyvybei reikalingos energijos gaunama iš Saulės, o didžioji jos dalis, įskaitant maistą ir iškastinį kurą, yra augalų fotosintezės, t. y. saulės šviesos, vandens ir anglies dioksido pavertimo deguonimi ir cukrumi, rezultatas.
Pirmasis cheminis fotosintezės etapas vyksta chlorofilo, kuris suteikia lapams žalią spalvą, sudėtyje – šis etapas iš esmės yra vandens skilimo operacija, kurios metu H2O suskaidomas į deguonį ir teigiamai įkrautus vandenilio jonus, kurie lemia likusią proceso dalį ir galiausiai leidžia augalams kaupti energiją angliavandenių pavidalu.
Evoliucija suteikė nepaprastą dovaną – fotosintezę, o žmonijai stengiantis išsivaduoti nuo žalingo šalutinio iškastinio kuro poveikio, mokslininkai stengiasi atkartoti ir net patobulinti šį pirmąjį žingsnį, tikėdamiesi sukurti dirbtinės fotosintezės metodus, kurie galėtų tapti pigiausiu būdu gaminti ekologišką vandenilį.
„Galiausiai manome, kad dirbtinės fotosintezės prietaisai bus daug efektyvesni už natūralią fotosintezę, o tai leis pasiekti anglies dioksido neutralumą“, – sakė Mičigano universiteto elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorius Zetianas Mi.
Z.Mi ir jo komanda žurnale „Nature“ paskelbė straipsnį apie tai, kas, jų nuomone, yra didelis šuolis dirbtinės fotosintezės srityje. Komanda pademonstravo naują fotokatalitinį vandenį skaidantį puslaidininkį, kuris naudoja platų saulės šviesos spektrą, įskaitant infraraudonuosius spindulius, kad suskaidytų vandenį su 9 proc. efektyvumu – tai beveik dešimt kartų daugiau nei kiti tokio tipo prietaisai.
„Puslaidininkio dydį sumažinome daugiau nei 100 kartų, palyginti su kai kuriais puslaidininkiais, veikiančiais tik esant mažam šviesos intensyvumui“, – sakė elektros ir kompiuterių inžinerijos mokslo darbuotojas Peng Zhou, pirmasis tyrimo autorius, -„Mūsų technologija pagamintas vandenilis galėtų būti labai pigus.“
Naujojoje technologijoje naudojama koncentruota saulės šviesa – tai galimybė, kuri neprieinama daugeliui kitų dirbtinės fotosintezės prietaisų, nes dėl didelio šviesos intensyvumo ir aukštos temperatūros jie paprastai suyra.
Tačiau UMicho universiteto tyrėjų sukurtas puslaidininkis, kuris pagamintas iš indžio galio nitrido nanostruktūrų, užaugintų ant silicio paviršiaus, ne tik labai gerai atlaiko šviesą ir karštį, bet ir laikui bėgant didina vandenilio gamybos efektyvumą.
Kai kitos sistemos siekia išvengti šilumos, šis prietaisas nuo jos priklauso. Puslaidininkis sugeria aukštesnio dažnio šviesos bangas, kad galėtų maitinti vandens skilimo procesą, ir yra patalpintas į kamerą, kurioje teka vanduo.
Žemesnio dažnio infraraudonųjų spindulių šviesa naudojama kamerai įkaitinti iki maždaug 70 °C, o tai pagreitina vandens skilimo reakciją ir kartu slopina vandenilio ir deguonies molekulių tendenciją rekombinuoti į vandens molekules prieš jas atskirai surenkant.
Atliekant idealizuotus laboratorinius bandymus su išgrynintu vandeniu, prietaiso efektyvumas siekė 9 proc. Naudojant vandentiekio vandenį, jis pasiekė apie 7 proc. Atliekant lauko bandymus, imituojančius didelio masto fotokatalitinę vandens skaidymo sistemą, maitinamą plačiai kintančių natūralių saulės spindulių, pasiektas 6,2 proc. efektyvumas.
Šie fotokatalitinio efektyvumo rodikliai atsilieka nuo kai kurių fotoelektrocheminių prietaisų, pavyzdžiui, ANU elemento (17,6 proc.) arba Monašo universiteto prietaiso (rekordinių 22 proc.).
Tačiau šie prietaisai yra brangesni dėl savo pobūdžio, nes elektrocheminiam vandens skaidymui naudojami fotovoltiniai elementai.
Įdomiausia tai, kad UMich prietaiso 7 proc. efektyvumo rodiklis vandentiekio vandeniui taip pat pasitvirtino skaidant jūros vandenį.
Gėlas vanduo toli gražu nėra neišsenkantis šaltinis, daugelyje vietovių jo jau dabar kritiškai trūksta, o artimiausiais dešimtmečiais jis taps dar retesnis ir brangesnis. Taigi fotokatalitinis prietaisas, galintis iš jūros vandens išgauti vandenilį, nereikalaujantis jokio išorinio energijos šaltinio, išskyrus saulės šviesą, galėtų tapti tikru perversmu dekarbonizacijos amžiuje.
Komanda teigia, kad atlikdama tolesnius tyrimus siekia padidinti efektyvumą ir išgaunamo vandenilio grynumą, tačiau dalis čia sukurtos intelektinės nuosavybės jau licencijuota UMicho universitetui pavaldžioms bendrovėms „NS Nanotech“ ir „NX Fuels“.
