Модерният еквивалент на философския камък е евтин метод, който генерира екологично чисто гориво. Идеята е да се използва слънчева енергия за разделяне на водата на съставните ѝ атоми – кислород и водород, като реалното гориво се явява водородът. Но ефективното делене на водните молекули не е лесна задача.

Учени от Чикагския университет за молекулярно инженерство и университета в Уисконсин са направили огромен напредък в тази сфера, като подобрили значително ефикасността на ключовите процеси. Резултатите от техните проучвания са публикувани в сп. Nature Communications.

Кийонг-Шин Чой (Kyoung-Shin Choi ) е професор по химия в Уисконсинския университет. Джулия Гали (Giulia Galli) е професор по електронни структури и симулации в Чикагския университет. Двамата заедно открили начин да повишат ефективността, при който електродът, разделящ водните молекули, абсорбира светлинни фотони, като в същото време учените успели да подобрят потока на електрони от един електрод към друг.

Компютърните симулации им помогнали да разберат какво се случва на атомно ниво. „Не става въпрос само за постигането на по-висока ефективност, но и за предоставянето на стратегия за цялата сфера“, казва Чой.

Когато създават улавящ светлината електрод, учените целят да използват максимална част от светлинния спектър, за да възбудят електроните в електрода, карайки ги да преминават от едно състояние в друго. Само по този начин електроните биха могли да участват във водоразделящата реакция. Също толкова важен, но съвсем различен проблем е нуждата от това електроните да се придвижват свободно от електрода до контра-електрода, създавайки по този начин постоянен поток. Досега на учените се налагало да използват отделни манипулации, за да повишат абсорбцията на фотоните и движението на електроните в материалите, които били тествани.

Чой и колегата ѝ Тае Ву Ким разбрали, че тези две явления биват сериозно повлияни от азота. Но двамата нямали представа защо. Затова се свързали с Гали, която трябвало да им обясни на теория сложните взаимодействия. Оказало се, че азотът действа на електрода по няколко начина. Най-значимото му въздействие се състои в намаляване на енергията, която е нужна за промяната на състоянията на електроните, които разделят водните молекули. По този начин електродът може да използва по-голяма част от слънчевата енергия.

„Вече разбираме какво се случва на микроскопично ниво“, казва Гали. „Учените могат да използват тези концепции (добавянето на нов елемент и дефекти в материала) и в други системи, за да подобряват ефективността им. Това са доста общи концепции, които може да бъдат приложени при много други материали.“

„Когато теоретичната и експерименталната част се слеят, разбирането ни за процеса на атомно ниво се подобрява значително. Това е идеалният резултат“, завършва Чой.

Процесът на разделяне на вода в светлочувствителен електрод. Peter Allen