Усилия по уменьшению нашей зависимости от ископаемого топлива продвигаются по различным важным направлениям. Такие инициативы включают исследования, направленные на более эффективное производство газообразного водородного топлива с использованием солнечной энергии для расщепления воды на компоненты водорода и кислорода. Недавно в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, ведущий автор Йонг Ян, доцент кафедры химии и наук об окружающей среде, сообщил о ключевом прорыве в фундаментальной науке, необходимом для продвижения к этой цели.
В статье «Генерация множественных экситонов для фотоэлектрохимических реакций выделения водорода с квантовым выходом, превышающим 100%», сообщается об исследовательской работе, проведенной Яном вместе с коллегами из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Горной школы Колорадо. и Государственный университет Сан-Диего. По сути, они создали то, что известно как фотоэлектрохимическая ячейка с квантовыми точками, которая каталитически достигла квантовой эффективности для производства газообразного водорода, превышающей 100% - в случае их экспериментов эффективность приближалась к 114%.
Квантовые точки представляют собой чрезвычайно маленькие полупроводниковые частицы размером всего несколько нанометров. (Нанометр равен одной миллиардной части метра.) В их устройстве квантовые точки из сульфида свинца заменяют полупроводниковые материалы, такие как кремний и медь, индий, арсенид галлия. Преимущество состоит в том, что такое фотоэлектрохимическое устройство потенциально может преобразовывать большую часть солнечного спектра в полезную энергию.
Описанное устройство способно поглощать один видимый солнечный фотон и производить два или даже больше электронов посредством процесса, известного как генерация множественных экситонов, или МЭГ, которые в дальнейшем используются для восстановления воды для получения газообразного водорода. Хотя многие ученые во всем мире прилагают усилия для достижения квантовой эффективности как можно ближе к 100% для производства солнечного водорода, достижение Яна в прямом превышении этого порога является значительным фундаментальным прорывом. Это ясно доказывает, что описанная им конструкция фотоэлектрохимического элемента намного более эффективна, чем солнечный элемент с квантовыми точками, в отношении квантового выхода.
Ян, который присоединился к факультету NJIT в 2016 году, подчеркивает, что этот прогресс находится на уровне фундаментальной науки о Солнце и что прорыв в отношении квантового выхода не означает существенного увеличения конечной солнечной энергии. - эффективность преобразования водорода. Тем не менее, это резкое увеличение квантового выхода, реализованное с помощью уникального инновационного фотоэлектрохимического устройства с квантовыми точками на основе сульфида свинца, является важным достижением по нескольким направлениям и, как таковое, является результатом давнего интереса Яна к возобновляемым источникам энергии, особенно к новым приложениям. солнечная энергия.
Для Яна исследование, опубликованное в Nature Energy, завершилось в NJIT после его предыдущей работы в качестве постдока в Принстонском университете и в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США в Колорадо. Успех этих передовых усилий стал возможен благодаря финансированию, частично предоставленному NJIT и Министерством энергетики.
Ян говорит: «Эти результаты показывают возможность более эффективного производства большего количества энергии с помощью такого устройства улавливания солнечной энергии в будущем. Это также может привести к фундаментальному изменению всего процесса производства водородного топлива». Теперь мы можем получать водородное топливо из воды, используя электроэнергию, поставляемую обычными электростанциями, потребляющими ископаемое топливо. гораздо зеленее."