Но самое большое преимущество заключается в снижении стоимости экологически чистого водорода. Это достигается за счет уменьшения толщины полупроводника, как правило, самой дорогой части устройства. Разработанный командой самовосстанавливающийся полупроводник выдерживает концентрированный свет, эквивалентный 160 солнцам.

В настоящее время люди производят водород из метана ископаемого топлива, используя при этом большое количество ископаемой энергии. Однако растения собирают атомы водорода из воды, используя солнечный свет. Поскольку человечество пытается сократить выбросы углекислого газа, водород привлекателен как в качестве самостоятельного топлива, так и в качестве компонента экологически чистого топлива, получаемого из переработанного углекислого газа. Точно так же он необходим для многих химических процессов, например, для производства удобрений.

"В конце концов, мы считаем, что устройства искусственного фотосинтеза будут намного эффективнее естественного фотосинтеза, что обеспечит путь к углеродной нейтральности", - сказал Зетиан Ми, профессор электротехники и вычислительной техники U-M, который руководил исследованием, опубликованным в Природа.

Выдающийся результат достигается благодаря двум достижениям. Первый - это способность концентрировать солнечный свет, не разрушая полупроводник, который использует свет.

"Мы уменьшили размер полупроводника более чем в 100 раз по сравнению с некоторыми полупроводниками, работающими только при низкой интенсивности света", - сказал Пэн Чжоу, научный сотрудник U-M в области электротехники и вычислительной техники и первый автор исследования. "Водород, произведенный по нашей технологии, может быть очень дешевым".

И второй - это использование как более высокоэнергетической части солнечного спектра для расщепления воды, так и более низкой части спектра для выделения тепла, которое стимулирует реакцию. Волшебство обеспечивается полупроводниковым катализатором, который совершенствуется при использовании, сопротивляясь деградации, с которой обычно сталкиваются такие катализаторы, когда они используют солнечный свет для запуска химических реакций.

В дополнение к работе с высокой интенсивностью света, он может работать при высоких температурах, которые губительны для компьютерных полупроводников. Более высокие температуры ускоряют процесс расщепления воды, а дополнительное тепло также способствует тому, что водород и кислород остаются разделенными, а не возобновляют свои связи и снова образуют воду. И то, и другое помогло команде собрать больше водорода.

Для эксперимента на открытом воздухе Чжоу установил линзу размером с окно дома, чтобы сфокусировать солнечный свет на экспериментальной панели диаметром всего несколько дюймов. Внутри этой панели полупроводниковый катализатор был покрыт слоем воды, бурлящей от выделяемых им газов водорода и кислорода.

Катализатор изготовлен из наноструктур нитрида индия-галлия, выращенных на поверхности кремния. Эта полупроводниковая пластина улавливает свет, преобразуя его в свободные электроны и дырки - положительно заряженные промежутки, которые остаются после того, как электроны высвобождаются светом. Наноструктуры усеяны наноразмерными шариками металла диаметром 1/2000 миллиметра, которые используют эти электроны и дырки, чтобы помочь направить реакцию.

Простой изолирующий слой поверх панели поддерживает температуру на уровне 75 градусов по Цельсию или 167 градусов по Фаренгейту, достаточно теплую, чтобы стимулировать реакцию, и в то же время достаточно прохладную, чтобы полупроводниковый катализатор работал хорошо. Уличная версия эксперимента, с менее надежным солнечным светом и температурой, достигла 6,1% эффективности при превращении энергии солнца в водородное топливо. Однако в помещении эффективность системы составила 9%.

Следующие задачи, которые команда намерена решить, заключаются в дальнейшем повышении эффективности и получении водорода сверхвысокой чистоты, который можно будет непосредственно подавать в топливные элементы.

Часть интеллектуальной собственности, связанной с этой работой, была лицензирована NS Nanotech Inc. и NX Fuels Inc., которые были соучредителями Mi. Мичиганский университет и Mi имеют финансовую заинтересованность в обеих компаниях.

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Министерством обороны, Мичиганским центром трансляционных исследований и коммерциализации инноваций, программой Blue Sky в инженерном колледже Мичиганского университета и Исследовательским управлением армии.

Видео: https://youtu.be/uNQLOU8aATc