een nieuwe, stabiel kunstmatig fotosyntheseapparaat verdubbelt de efficiëntie van het benutten van zonlicht om zowel zoet als zout water uit elkaar te halen, waterstof genereren die vervolgens in brandstofcellen kan worden gebruikt.

Het apparaat kan ook opnieuw worden geconfigureerd om koolstofdioxide weer in brandstof om te zetten.

Waterstof is de schoonst brandende brandstof, met water als enige emissie. Maar waterstofproductie is niet altijd milieuvriendelijk. Conventionele methoden vereisen aardgas of elektriciteit. De methode die door het nieuwe apparaat is ontwikkeld, directe zonnewatersplitsing genoemd, gebruikt alleen water en licht van de zon.

"Als we zonne-energie direct kunnen opslaan als chemische brandstof, zoals wat de natuur doet met fotosynthese, we een fundamentele uitdaging van hernieuwbare energie kunnen oplossen, " zei Zetian Mi, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Michigan die het onderzoek leidde terwijl hij aan de McGill University in Montreal werkte.

Faqrul Alam Chowdhury, een doctoraatsstudent in elektrotechniek en computertechniek aan McGill, zei dat het probleem met zonnecellen is dat ze geen elektriciteit kunnen opslaan zonder batterijen, die hoge totale kosten en een beperkte levensduur hebben.

Het apparaat is gemaakt van dezelfde veelgebruikte materialen als zonnecellen en andere elektronica, inclusief silicium en galliumnitride (vaak te vinden in LED's). Met een industrieklaar ontwerp dat werkt met alleen zonlicht en zeewater, het apparaat maakt de weg vrij voor grootschalige productie van schone waterstofbrandstof.

Eerdere directe zonne-watersplitsers hebben iets meer dan 1 procent stabiele zonne-naar-waterstofefficiëntie bereikt in zoet of zout water. Andere benaderingen lijden onder het gebruik van dure, inefficiënte of onstabiele materialen, zoals titaandioxide, dat kan ook het toevoegen van zeer zure oplossingen inhouden om hogere efficiënties te bereiken.

Mi en zijn team, echter, meer dan 3 procent zonne-naar-waterstof efficiëntie behaald. Om deze stabiele efficiëntie te bereiken, het team bouwde een nano-sized stadsgezicht van galliumnitride-torens die een elektrisch veld opwekten. Het galliumnitride wordt licht, of fotonen, in mobiele elektronen en positief geladen vacatures die gaten worden genoemd. Deze vrije ladingen splitsen watermoleculen in waterstof en zuurstof.

"Als deze speciaal ontworpen wafer wordt geraakt door fotonen, het elektrische veld helpt bij het scheiden van door foto gegenereerde elektronen en gaten om de productie van waterstof- en zuurstofmoleculen efficiënt te stimuleren, ' zei Chowdhury.

Momenteel, de silicium achterkant van de chip draagt ​​niet bij aan zijn functie, maar het zou meer kunnen doen. De volgende stap kan zijn om het silicium te gebruiken om licht te vangen en ladingsdragers naar de galliumnitride-torens te leiden.

"Hoewel de efficiëntie van 3 procent misschien laag lijkt, wanneer het wordt geplaatst in de context van 40 jaar onderzoek naar dit proces, het is eigenlijk een grote doorbraak, ' zei Mi. 'Natuurlijke fotosynthese, afhankelijk van hoe je het berekent, heeft een efficiëntie van ongeveer 0,6 procent."

Hij voegt eraan toe dat 5 procent efficiëntie de drempel is voor commercialisering, maar zijn team mikt op 20 of 30 procent efficiëntie.

Mi voert soortgelijk onderzoek uit om koolstofdioxide van zijn zuurstof te ontdoen om de resulterende koolstof om te zetten in koolwaterstoffen, zoals methanol en syngas. Dit onderzoekspad zou mogelijk koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen verwijderen, zoals planten doen.

"Dat is het echt opwindende deel, ' zei Mi.

Het apparaat is gedocumenteerd in de studie, "Een fotochemisch diode-kunstmatig fotosynthesesysteem voor het zonder hulp en met hoge efficiëntie splitsen van zuiver water, " gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Samen met Mi en Chowdhury, co-auteurs zijn onder meer Michel Trudeau van het Centre of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage, Hydro-Québec, en Hong Guo van McGill University.