Truputis netvarkos yra svarbus dalykas didinant saulės energijos sugertį. Mokslininkai iš Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos energijos departamento, sujaukdami atominę titano dioksido nanokristalų paviršinio sluoksnio struktūrą, gavo ilgaamžę ir daug efektyvesnę katalizę, nei tai pasiekiama su kitomis medžiagomis, kurios naudoja saulės energiją vandeniliui gauti iš vandens.
Truputis netvarkos yra svarbus dalykas didinant saulės energijos sugertį. Mokslininkai iš Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos energijos departamento, sujaukdami atominę titano dioksido nanokristalų paviršinio sluoksnio struktūrą, gavo ilgaamžę ir daug efektyvesnę katalizę, nei tai pasiekiama su kitomis medžiagomis, kurios naudoja saulės energiją vandeniliui gauti iš vandens.
Stebėta fotokatalizė, kuri pagreitina šviesos valdomą cheminę reakciją, yra pirmoji pasižyminti ilgaamžiškumu bei nepaprastu efektyvumu, kas daro ją pagrindiniu pretendentu švarios energijos gamyboje. Ji gali pasiūlyti teršalų neišskiriančią technologiją vandenilio, naudojamo kuro elementuose, gamybai. Kuro elementai nagrinėjami kaip alternatyva transporto priemonėse naudojamiems vidaus degimo varikliams. Molekulinis vandenilis Žemėje labai retai sutinkamas. Jis turi būti išgaunamas iš žaliavų tokių, kaip dujos ar vanduo. Vandenilio išgavimas reikalauja daug energijos, ir tai yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl kuro elementai autotransporto priemonėse nenaudojami.
„Mes bandome rasti geresnį kelią vandenilio gamybai – panaudodami saulės šviesą, – pasakė mokslininkų grupės vadovas Samuelis Mao. – Šio eksperimento metu mes sukūrėme netvarką titano oksido nanokristale. Tai stipriai padidino šviesos sugertį ir vandenilio gamybos iš vandens efektyvumą.“ Jų straipsnis buvo atspausdintas „Science Express“ žurnale.
Mao grupė savo darbe tiria titano dioksido nanokristalus. Titano dioksidas yra puslaidininkinė medžiaga, kuri naudojama fotokatalizėje norint pagreitinti chemines reakcijas, pavyzdžiui, panaudojant saulės energiją, kuri skaido vandenį į deguonį ir vandenilį. Tačiau ilgaamžis titano dioksidas nėra geras fotokatalizatorius. Mokslininkai bando padidinti jo efektyvumą pridėdami priemaišas ar darydami kitus patobulinimus.
Berklio universiteto mokslininkai išbandė kitą kelią. Pridėję priemaišų, jie papildomai sukūrė netvarką tobuloje atomų titano dioksido gardelės struktūroje. Netvarkai kurti jie panaudojo hidrinimą. Todėl, paprastai, baltas titano dioksido kristalas tapo juodu. Įdomiausia, kad atsiradusi netvarka padidino fotokatalizės efektyvumą. Siekdami patvirtinti savo idėjos teisingumą, mokslininkai patalpino naująją medžiagą į vandenį ir paveikė dirbtine saulės šviesa. Jie nustatė, kad apie dvidešimt keturi procentai saulės šviesos, kuri buvo absorbuota fotokatalizės, virto vandeniliu. Gautas našumas yra apie šimtą kartų didesnis nei pasiekiamas naudojant kitus puslaidininkinius fotokatalizatorius. Svarbiausia, kad jų fotokatalizatorius nerodė jokių irimo ženklų per visą vykusį dvidešimt dviejų dienų bandymų laikotarpį. Tai reiškia, kad naujoji medžiaga yra potencialiai tinkama kasdieniniam naudojimui.
Svarbiausias fotokatalizatoriaus efektyvumo padidinimas yra susijęs su jo infraraudonosios šviesos sugertimi, darančiu jį pirmuoju titano dioksidu sugeriančiu šviesą šiame bangų ilgių diapazone. Jis taip pat sugeria matomą ir ultravioletinę šviesą. Daugelis titano dioksido fotokatalizatorių sugeria tik ultravioletinę šviesą, turintys defektų absorbuoja ir matomą šviesą. Ultravioletinė šviesa sudaro mažiau kaip dešimt procentų saulės energijos.
„Kuo daugiau energijos gali absorbuoti fotokatalizatorius, tuo daugiau elektronų yra paduodama cheminei reakcijai, kurios metu išgaunamas vandenilis. Todėl juodas titano dioksidas yra labai įdomi medžiaga tuo požiūriu“, – pasakė Mao.
Mokslininkų grupės eksperimentiniais tyrimais susidomėjo teoretikai Piteris Yu bei Lei Liu, kurie ištyrė, kad sukurta atomų gardelės netvarka nanokristalo paviršiuje, naudojant hidrinimą, keičia elektronines kristalo savybes. Jų skaičiavimai parodė, kad gardelės defektai bei vandenilis sukuria sąlygas fotonams sužadinti elektronus, kurie peršoka draudžiamosios energijos tarpą į vietą, kurioje negali egzistuoti surištos elektronų būsenos. Laisvi elektronai gali dalyvauti cheminėje reakcijoje, kuri atskiria vandenilį ir deguonį. „Sukūrus specialios rūšies netvarką, draudžiamosios energijos tarpe susikuria būsenos, – pasakė Kalifornijos universiteto profesorius Yu. – Tai sudaro galimybę infraraudonajai saulės spektro daliai būti sugertai ir dalyvauti fotokatalizėje.“
Paveikslėlyje Samuelis Mao demonstruoja titano dioksidą. Vienas jų yra įprastas, baltos spalvos, nepaveiktas gardelės netvarkos, o kitas, juodos spalvos, kuris pagerina fotokatalizės efektyvumą.
