Три года назад ученые из Университета Мичигана разработали устройство искусственного фотосинтеза из кремния и нитрида галлия (Si/GaN), которое превращает солнечный свет в водород для топливных элементов с два раза большей эффективностью и стабильностью, чем ряд аналогичных технологий. Теперь, вместе со специалистами из национальных лабораторий Минэнерго США они открыли поразительные свойства смеси Si/GaN, которые позволят радикально ускорить коммерциализацию технологий искусственного фотосинтеза и водородных топливных элементов.

«Наш материал — настоящий прорыв», — заявила руководитель научной группы Франческа Тома из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Дело в том, что обычно материалы в системах получения водорода из солнца разрушаются, становятся менее стабильными и начинают вырабатывать водород менее эффективно. Но смесь Si/GaN вместо накопления «усталости» и падения эффективности неожиданно показала ее рост — материал оказался более производительным и надежным чем все, что ученые испытывали до сих пор, сообщает Phys.org.

Обычно материалы для искусственного фотосинтеза либо отлично поглощают свет, либо отличаются надежностью. Но кремний и нитрид галлия показали рекордное КПД 3% при прямом преобразовании солнечного света в водород. Кроме того, это надежные и доступные материалы, которые широко применяются в производстве полупроводников, светодиодов и фотоэлементов.

Для того чтобы понять, как такие обычные материалы могут проявлять такую экстраординарную производительность, ученые задействовали сканирующий атомно-силовой микроскоп. Они ожидали увидеть резкое падение способности Si/GaN поглощать фотоны и стабильности уже через несколько часов. Однако, к их удивлению, материал со временем стал только эффективнее, хотя его поверхность не сильно изменилась. Другими словами, вместо того чтобы стать хуже, он стал лучше.

Дальнейшие эксперименты позволили установить, что вдоль поверхности материала образовался слой галлия, азота и кислорода толщиной в 1 нм. И он увеличил каталитическую активность при производстве водорода.

Теперь ученые собираются проверить фотокатод Si/GaN в составе фотоэлектрохимического элемента, чтобы лучше понять, как нитриды влияют на стабильность устройств искусственного фотосинтеза.