Американські дослідники зробили важливий крок до створення екологічно чистої енергетики: їм вдалося в режимі реального часу спостерігати, як сонячне світло розщеплює воду на водень і кисень. Причому цей процес вдалося розглянути на надзвичайно малому рівні — у масштабі нанометрів.
Команда науковців із Єльський університет розробила новий метод, який дозволяє буквально «зазирнути» всередину фотокаталізаторів під час їхньої роботи. Саме ці матеріали відповідають за перетворення світлової енергії на хімічну — тобто на паливо.
За словами керівника дослідження Шу Ху, нова технологія дає змогу спостерігати фотокаталізатор «у дії» з безпрецедентною точністю та реалістичністю. Вчені змогли побачити, як під впливом світла відбувається розщеплення води, а також як рухаються електрони та так звані «дірки» — позитивно заряджені носії, які виникають у матеріалі.
Головна інновація полягає у спеціальному інструменті — надтонкому нанозонді. Це кварцовий наконечник із платиновим дротом всередині, розмір якого становить лише кілька нанометрів. Завдяки йому дослідники змогли одночасно вимірювати електричний струм і напругу прямо на поверхні матеріалу, не пошкоджуючи його.
Це дозволило вперше чітко розмежувати два ключові процеси — відновлення та окиснення, які разом забезпечують розщеплення води. Більше того, вчені змогли визначити, де саме на поверхні матеріалу відбуваються ці реакції, і як вони взаємодіють між собою.
Одним із несподіваних результатів стало те, що новий метод працює не лише з металевими поверхнями, а й із напівпровідниками, які є основою сучасних фотокаталізаторів. Це відкриває значно ширші можливості для досліджень.
Науковці наголошують, що фотокаталіз із використанням сонячного світла має величезний потенціал. Він дозволяє отримувати водень — чисте паливо майбутнього — без шкідливих викидів і з мінімальними витратами. Проте розвиток цієї технології довгий час гальмувався через недостатнє розуміння процесів, що відбуваються на мікрорівні.
Тепер ситуація може змінитися. Новий підхід дає змогу аналізувати активність матеріалів із точністю до приблизно 10 нанометрів і бачити, як саме розподіляються реакції на їхній поверхні. Це означає, що в майбутньому вчені зможуть створювати ефективніші та дешевші матеріали для виробництва енергії.
Фактично, це дослідження відкриває шлях до більш ефективного використання сонячної енергії — не лише для виробництва електрики, а й для створення палива та хімічних речовин. І хоча до широкого впровадження ще далеко, тепер у науковців є головне — можливість бачити процеси, які раніше залишалися прихованими. Дослідження було опубліковано в Proceedings of the National Academy of Sciences.