Badacze z Korei Południowej są przekonani, że udało im się dokonać prawdziwego przełomu. Po raz pierwszy w historii udało się im bowiem wykorzystać niezwykle mały półprzewodnik – tzw. nanoklaster kwantowy – do produkcji przyjaznego dla środowiska wodoru przy użyciu światła słonecznego.
Osiągnięcie to może w najbliższym czasie otworzyć nowe możliwości w projektowaniu zaawansowanych materiałów do zastosowań energetycznych i ekologicznych. Warto tutaj podkreślić, że dotychczas takich testów nie prowadzono z uwagi na fakt, że naukowcy uznawali, że ograniczenia w stabilności i funkcjonalności nanomateriałów sprawiają, że nie nadają się one do tego. Teraz jednak naukowcom udało się opracować innowacyjną strategię łączenia efektów kwantowych z praktyczną użytecznością.
Czytaj także: Kontrola światła w 6 femtosekund. Brytyjczycy i Amerykanie dokonali niemożliwego
Kluczowym elementem sukcesu było zastosowanie nanoklastrów złożonych z zaledwie 26 atomów selenku kadmu (CdSe), znanych chemicznie jako (CdSe)₁₃. Jako półprzewodniki grupy II-VI są to najmniejsze nieorganiczne struktury półprzewodnikowe, jakie kiedykolwiek wykorzystano w procesie fotokatalizy, w którym światło słoneczne napędza reakcje chemiczne, takie jak rozkład wody na tlen i wodór.
Dotychczasowe próby wykorzystania takich struktur kończyły się niepowodzeniem z powodu ich niskiej stabilności chemicznej i słabego przewodnictwa elektrycznego. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, naukowcy zaprojektowali trójwymiarową superstrukturę – sieć samoczynnie składających się nanoklastrów. Taka konfiguracja chroni cząsteczki przed degradacją w środowisku wodnym, jednocześnie zachowuje ich unikalne właściwości kwantowe.
Mało tego, aby zwiększyć wydajność procesu, do nanoklastrów wprowadzono jony kobaltu (Co²⁺), co pozwoliło na znaczącą poprawę przewodnictwa elektrycznego tak uzyskanego materiału, a tym samym na wzrost wydajności procesu produkcji wodoru.
Badania prowadzili profesor Jiwoong Yang z Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), profesor Yoonjung Jang z Hanyang University oraz adiunkt Stefan Ringe z Korea University. Zespół dostarczył zarówno eksperymentalnych, jak i teoretycznych dowodów na wysoką skuteczność opracowanych nanoklastrów jako fotokatalizatorów.
Czytaj także: Materiał lekki jak styropian, wytrzymały jak stal. Naukowcy dokonali niemożliwego
Oczywiście produkcja wodoru za pomocą takich materiałów to ogromne osiągnięcie. Nie zmienia to jednak faktu, że takie podejście do stabilizacji i modyfikacji nanomateriałów może teraz stać się podstawą do tworzenia nowej generacji materiałów kwantowych, które będą przydatne w wielu innych zastosowaniach, od energetyki, po informatykę kwantową.
Oczywiście, zanim takie materiały i efekty najnowszych eksperymentów zejdą pod strzechę minie jeszcze wiele czasu. Teraz wyzwaniem dla naukowców będzie zapewnienie długoterminowej trwałości materiału oraz dalszego wzrostu wydajności, aż do poziomu wymaganego w przemyśle. Pierwsze, najtrudniejsze kroki jednak zostały już wykonane.