Когда в 2010 году был создан Объединенный центр искусственного фотосинтеза (JCAP) при Калифорнийском технологическом институте (Caltech), Министерство энергетики США поставили перед учеными задачу: найти экономически эффективный метод производства топлива, при котором будет использоваться только солнечный свет, вода и двуокись углерода. Процесс должен не только имитировать естественный процесс фотосинтеза в растениях, но и обеспечить хранение энергии в виде химического топлива.

Прошло пять лет, и группа ученых под руководством Нейла Левиса сообщила о создании «искусственного листа» - системы для генерации солнечной энергии, состоящей из фотоанода, фотокатода и мембраны. Отчет об исследовании опубликован на профильном сетевом ресурсе Energy & Environmental Science.

Новая система состоит из трех основных компонентов: фотоанода, фотокатод а разделяющей их мембраны. Фотоанод использует солнечный свет для окисления молекулы воды, создавая протоны и электроны, а также газообразный кислород. Фотокатод преобразует протоны и электроны в газообразные водород. Ключевой частью конструкции является мембрана, которая разделяет газообразные кислород и водород, исключая возможность взрыва. Мембрана также позволяет отделить водород и собрать его под давлением в систему труб.



Особой проблемой при разработке искусственного лиса было создание покрытий, при которых поверхности полупроводников не подвергались бы окислению. Ученые использовала для покрытия поверхностей фотоэлектродов на основе арсенида галлия наноразмерный слой оксида титана (TiO2), что позволило предотвратить коррозию и повысить устойчивость фотоэлементов.

Другое техническое решение, сделавшее создание системы возможным — применение недорогого и эффективного катализатора. На слой оксида титаны ученые нанесли наноразмерный слой никеля — этот катализатор является одним из наиболее активных известных катализаторов для расщепления молекул воды на кислород, протоны и электроны, и является ключом к высокой эффективности устройства.

Испытания показали, что созданный учеными искусственный лист размером в один квадратный сантиметр площади преобразует 10 процентов энергии солнечного света в накопленную энергию в виде химического топлива и может работать в течение более чем 40 часов непрерывно.

«Наша работа показывает, что это действительно возможно — производить топлива из солнечного света, безопасно и эффективно, в интегрированной системе и с недорогими компонентами. Конечно, мы по-прежнему будем работать над тем, чтобы продлить срок службы и разработать методы для экономически эффективного производства полноразмерной системы»,— отметил Нейл Левис.