Неисчерпаемый источник экологически чистого топлива стал на шаг ближе благодаря открытию материала, который сможет извлекать водород из воды используя энергию видимого света. Жиганг Зу (Zhigang Zou) из Национального института развития индустриальной науки и технологии Японии и его коллеги изобрели фотокатализатор, использующий энергию видимого света, составляющую более 43% всей солнечной энергии. Надежный и эффективный источник водорода - "святой Грааль" энергетического производства. Водород выделяет при горении большое количество энергии и дает только один побочный продукт - воду. Созданные ранее катализаторы реагировали только на ультрафиолетовое излучение, которое составляет только 4% солнечной энергии. (Z Zou et al 2001 Nature 414 625).

Фотокатализ - это использование энергии поглощенного света для запуска эндотермической реакции. В подобных реакциях используются полупроводники, так как их электронные характеристики могут изменяться при поглощении излучения. Но их запрещенная энергетическая зона, как правило, широка, а это означает что только коротковолновые фотоны, обладающие большими значениями энергии , например фотоны ультрафиолетового излучения, могут содействовать перемещению электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Для создания подходящего материала Зоу и его коллеги добавили никель в полупроводник из индиево-танталового оксида, таким образом уменьшив ширину запрещенной энергетической зоны с 2,3 до 2,6 электронвольт. Это означает, что фотоны оптического диапазона длин волн несут достаточно энергии для преодоления электронами запрещенной зоны. Исследователи поместили этот полупроводник в воду и осветили его электрической лампой. При поглощении энергии фотонов полупроводником электроны переместились из валентной зоны в зону проводимости, оставляя за собой положительно заряженные дырки в валентной зоне.

Поскольку энергия электрона в зоне проводимости превышает восстановительный потенциал водорода, то, выйдя на поверхность полупроводника, электроны проводимости рекомбинируют с ионами водорода; в результате происходящей реакции выделяется нейтральный водород. Для поддержания этой реакции валентная зоны должна обладать энергией меньшей, чем окислительный потенциал кислорода. Это позволяет положительно заряженным дыркам "всплывать" на поверхность полупроводника и рекомбинировать с "лишними" электронами ионов кислорода в воде, восстанавливая его. В результате реакции кислород и водород выделяются в виде нейтральных газов.

Некоторые фотоэлементы, попадая в воду, или корродируют, или становятся пассивными - фотоэффект в них значительно ослабевает. Новый материал сохраняет свою активность и в воде. Зоу и его коллеги подчеркивают, что, несмотря на достаточно низкий КПД изобретенного ими способа - 0,66%, они уверены в том, что при увеличении площади поверхности полупроводника и соответствующем выборе его формы этот результат будет существенно улучшен.

Источник: Physics Web, 7 декабря 2001