Již celá desetiletí hledají vědci po celém světě způsoby, jak využít sluneční energii k vytvoření klíčové reakce pro výrobu tzv. zeleného vodíku, tedy vodíku jako čistého zdroje energie. Tou reakcí je štěpení molekul vody, při které vzniká vodík a kyslík. Takové snahy však doposud většinou selhávaly, protože docílit skutečně účinné reakce je velmi nákladné a snahy o výraznější snížení těchto nákladů vždy vedly ke značně horším výsledkům.
Nyní vědci z Texaské univerzity v americkém Austinu našli levný způsob řešení poloviny chemické rovnice – s pomocí slunečního záření dokážou z vody odštěpit molekuly kyslíku. Objev, který nedávno zveřejnil prestižní vědecký časopis Nature Communications, představuje významný krok vpřed směrem k masivnějšímu prosazení vodíku coby klíčové součásti energetické infrastruktury.
Protichůdné požadavky
Možnost využít k výrobě vodíku sluneční energii začali vědci zkoumat již v 70. letech 20. století. Hlavní problém, na který neustále naráželi, byl však v tom, že nemohli nalézt materiály, které by měly všechny potřebné vlastnosti, aby s nimi bylo možné provádět klíčové chemické reakce opravdu účinně. „Potřebujete materiály, které dobře absorbují sluneční světlo a zároveň nedegradují, když dochází k reakcím štěpení vody,“ popisuje největší úskalí výzkumu Edward Yu, profesor katedry elektrotechniky a výpočetní techniky na Cockrell School of Engineering, která je součástí Texaské univerzity. „Ukázalo se, že materiály, které dobře absorbují sluneční světlo, mají tendenci být za podmínek požadovaných pro štěpení vody nestabilní, zatímco materiály, které jsou stabilní, jsou zase špatnými absorbéry slunečního světla. Tyto protichůdné požadavky vedou ke zdánlivě nevyhnutelnému kompromisu, ale kombinací více materiálů – jednoho, který účinně absorbuje sluneční světlo, jako je například křemík, a druhého, který poskytuje dobrou stabilitu, jako je oxid křemičitý – do jednoho zařízení lze tento konflikt vyřešit,“ vysvětluje Edward Yu.
Tím se však vědcům postavil o cesty další problém – elektrony a díry vytvořené absorpcí slunečního světla v křemíku musí totiž být schopné bez odporu se pohybovat ve vrstvě oxidu křemičitého. To vyžaduje, aby tato vrstva nebyla tlustší než několik nanometrů. Tím se však snižuje její účinnost při ochraně křemíkového absorbéru před jeho degradací.
Inspirací byla výroba čipů
V tomto bodě se vědcům podařilo učinit průlomový krok: vypracovali totiž metodu, podle níž lze vytvářet elektricky vodivé cesty i v poměrně silné vrstvě oxidu křemičitého. Metoda přitom není příliš nákladná a lze ji v případě potřeby rozšířit i na velké objemy výroby.
Edward Yu a jeho tým při jejím navržení použili techniku, která byla již dříve vyvinuta pro potřeby výroby polovodičových čipů. Potáhli vrstvu oxidu křemičitého tenkým filmem z hliníku a následně celou strukturu zahřáli. Tím vytvořili pole miniaturních, pouhých několik nanometrů dlouhých hliníkových „hrotů“, které zcela překryly vrstvu oxidu křemičitého. Tyto hroty přitom mohou být snadno nahrazeny niklem nebo jinými materiály, které pomáhají katalyzovat štěpné reakce vody.
Když pak byla celá aparatura osvětlena slunečním světlem, docházelo k očekávané oxidaci vody a vznikaly molekuly kyslíku a vodík, to vše s vynikající, dlouhodobou reakční stabilitou.
Dalším kladem tohoto výzkumu je pak fakt, že použitá technologie se běžně používá při výrobě polovodičové elektroniky, takže je již dobře ozkoušená a měla by být tudíž snadno přenosná i do sériové výroby větších měřítek.
Do budoucna hodlá tým profesora Yu pokračovat nadějné výsledky svého výzkumu dále rozvíjet. Nejprve chce zapracovat na zlepšení účinnosti „kyslíkové části“ štěpení vody zvýšením reakční rychlosti. V další fázi plánuje zaměřit se na „vodíkovou polovinu“ chemické rovnice. „Nejprve jsme se zaměřili na kyslíkovou část reakce, což je ta náročnější část. Avšak k tomu, abychom dokázali úplně oddělit molekuly vody, musíme provádět všechny reakční kroky správně a přesně, a to jak na straně kyslíku, tak na straně vodíku. Proto je naším dalším cílem vylepšit výrobu zařízení pro vodíkovou část reakce, “ doplnil Edward Yu.
