Moderne zonnecellen, die energie van licht gebruiken om elektronen en gaten te genereren die vervolgens uit halfgeleidende materialen worden getransporteerd naar externe circuits voor menselijk gebruik, bestaan ​​al meer dan 60 jaar in een of andere vorm. Er is weinig aandacht aan besteed, echter, op de belofte om licht te gebruiken om een ​​ander elektriciteitsopwekkingsproces aan te drijven - het transport van tegengesteld geladen protonen en hydroxiden verkregen door watermoleculen te dissociëren. Onderzoekers in Amerika rapporteren een dergelijk ontwerp, die een veelbelovende toepassing heeft bij het produceren van elektriciteit om brak water drinkbaar te maken, op 15 november in het journaal Joule .

De onderzoekers, onder leiding van senior auteur Shane Ardo, een assistent-hoogleraar scheikunde, Chemische technologie, en materiaalkunde aan de Universiteit van Californië, Irvine, schrijven dat ze een "ionische analoog aan de elektronische pn-junctie zonnecel hebben gemaakt, Ze gebruiken licht om het halfgeleiderachtige gedrag van water te benutten en ionische elektriciteit op te wekken. Ze hopen een dergelijk mechanisme te gebruiken om een ​​apparaat te maken dat zout water direct ontzilt bij blootstelling aan zonlicht.

"Er waren andere experimenten geweest die teruggingen tot de jaren tachtig en waarbij materialen werden aangeslagen door foto's om er een ionische stroom doorheen te laten gaan, en theoretische studies zeiden dat die stromen hetzelfde niveau zouden moeten kunnen bereiken als hun elektronische analogen, maar geen van hen werkte zo goed, " zegt eerste auteur William White, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Ardo.

In dit geval, de onderzoekers bereikten meer succes door water door twee ionenuitwisselingsmembranen te laten doordringen, een die voornamelijk positief geladen ionen (kationen) zoals protonen vervoerde en een die voornamelijk negatief geladen ionen (anionen) zoals hydroxiden vervoerde, functioneren als een paar chemische poorten om ladingsscheiding te bereiken. Door een laser op het systeem te laten schijnen, werden lichtgevoelige organische kleurstofmoleculen aan het membraan gebonden om protonen vrij te maken. die vervolgens naar de meer zure kant van het membraan werd getransporteerd en in sommige gevallen een meetbare ionenstroom en spanningen van meer dan 100 mV produceerde (gemiddeld 60 mV).

Ondanks dat de fotospanningsdrempel van 100 mV soms wordt overschreden, het niveau van elektrische stroom dat het dubbelmembraansysteem kan bereiken, blijft de belangrijkste beperking. De fotospanning zou met meer dan een factor twee moeten worden vergroot om de ~200 mV-markering te bereiken die nodig is om zeewater te ontzilten, een doel waar de onderzoekers optimistisch over zijn.

"Het komt allemaal neer op de fundamentele fysica van hoe lang de ladingsdragers aanhouden voordat ze recombineren om water te vormen, " zegt Ardo. "De eigenschappen van water kennende, we zijn in staat om een ​​van deze bipolaire membraaninterfaces intelligenter te ontwerpen, zodat we de spanning en de stroom kunnen maximaliseren."

Op lange termijn, ontzilting is slechts één mogelijke toepassing van de door de onderzoekers ontwikkelde synthetische, door licht aangedreven protonenpomp. Het kan ook potentieel hebben voor interfaces met elektronische apparaten, of zelfs voor het aansturen van signalering in hersen-machine-interfaces en andere "cyborgcellen" die levend weefsel en kunstmatige circuits combineren, een rol die niet kan worden vervuld door traditionele zonnecellen, die onstabiel zijn in biologische systemen.

"We hebben veel ideeën gehad over waar deze technologie voor zou kunnen worden gebruikt; het is gewoon een kwestie van voldoende leren om tussen velden te kruisen en het apparaat te laten werken voor de beoogde toepassingen, "zegt Ardo. "Ik denk dat dit gewoon weer een voorbeeld is van wat je kunt doen als je wetenschappers hebt die in veel disciplines zijn opgeleid en buiten de gebaande paden denken."