Badania koncentrują się na zjawisku zwanym fotokatalizą, czyli procesie, w którym energia słoneczna napędza reakcje chemiczne prowadzące do powstawania paliw. W praktyce chodzi przede wszystkim o rozszczepienie cząsteczek wody na wodór i tlen. Wodór uznawany jest za jedno z najbardziej obiecujących paliw przyszłości, wszak jego spalanie nie emituje dwutlenku węgla, a jedynie wodę. Problem polegał jednak na tym, iż naukowcy do tej pory nie byli w stanie dokładnie zobaczyć, jak cały proces przebiega na poziomie mikroskopowym.
Czytaj też: Co ma dron do technologii kwantowej? Nowy rozdział wojny bezzałogowców zaczyna się w ciszy
Nowa metoda opracowana przez zespół badawczy pozwala zajrzeć “do środka” reakcji. Dzięki zaawansowanej technice pomiarowej możliwe stało się śledzenie ruchu elektronów oraz dziur elektronowych w materiale półprzewodnikowym pod wpływem światła. To właśnie te mikroskopijne zjawiska decydują o tym, czy energia słoneczna zostanie skutecznie przekształcona w energię chemiczną.
Najważniejszym elementem technologii jest specjalne urządzenie pomiarowe wyposażone w niezwykle cienką końcówkę, tzw. nanotip. To mikroskopijne narzędzie, zawierające platynowy przewód o rozmiarach liczonych w nanometrach, pozwala jednocześnie mierzyć przepływ elektronów oraz napięcie w badanym materiale. Połączenie tych dwóch pomiarów daje naukowcom pełny obraz zachodzących procesów, co wcześniej było praktycznie niemożliwe.
Jednym z największych osiągnięć zespołu jest możliwość rozróżnienia dwóch kluczowych etapów reakcji chemicznej – redukcji i utleniania – w czasie rzeczywistym. To właśnie precyzyjne zrozumienie tych etapów może pozwolić na projektowanie znacznie wydajniejszych materiałów fotokatalitycznych, które będą skuteczniej produkować paliwa z wykorzystaniem energii słonecznej.
Technologia przekształcania światła słonecznego w paliwo jest jednym z filarów przyszłej energetyki, ponieważ pozwala magazynować energię w postaci chemicznej. W przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych, które produkują prąd tylko w czasie nasłonecznienia, paliwa słoneczne można przechowywać i wykorzystywać wtedy, gdy są potrzebne: na przykład w nocy lub w okresach niskiej produkcji energii.
Czytaj też: Kinetyka wirów kwantowych. Fizycy z PW wyznaczają parametry tarcia wzajemnego w nadcieczach
Jak wiemy, naukowcy od lat próbują naśladować proces fotosyntezy, w którym rośliny przekształcają światło słoneczne w energię chemiczną. Wcześniejsze projekty również realizowane na Uniwersytecie Yale pokazały, że możliwe jest nawet wykorzystanie światła słonecznego do przetwarzania dwutlenku węgla rozpuszczonego w wodzie morskiej w paliwa i surowce przemysłowe.
Mimo ogromnego potencjału, technologia, o której mówimy, wciąż znajduje się w powijakach. Jednym z głównych wyzwań pozostaje zwiększenie wydajności całego procesu oraz jego skalowanie do poziomu przemysłowego. Dotychczasowe systemy działają głównie w warunkach laboratoryjnych, a ich efektywność – nawet jeśli rosnąca – pozostaje ograniczona. Nowe odkrycie może jednak znacząco przyspieszyć postęp. Dzięki możliwości obserwowania reakcji w czasie rzeczywistym naukowcy zyskują narzędzie, które pozwoli im szybciej identyfikować problemy i optymalizować materiały.
Źródło: Yale University, PNAS
