En ny, stabil artificiell fotosyntesenhet fördubblar effektiviteten av att utnyttja solljus för att bryta isär både färskt och saltvatten, generera väte som sedan kan användas i bränsleceller.

Enheten kan också omkonfigureras för att omvandla koldioxid till bränsle.

Väte är det renaste brinnande bränslet, med vatten som enda utsläpp. Men vätgasproduktion är inte alltid miljövänlig. Konventionella metoder kräver naturgas eller elektrisk kraft. Metoden som avanceras med den nya enheten, kallas direkt solvatten splittring, använder bara vatten och ljus från solen.

"Om vi ​​direkt kan lagra solenergi som ett kemiskt bränsle, som vad naturen gör med fotosyntes, vi skulle kunna lösa en grundläggande utmaning med förnybar energi, "sa Zetian Mi, en professor i el- och datateknik vid University of Michigan som ledde forskningen vid McGill University i Montreal.

Faqrul Alam Chowdhury, en doktorand i el- och datateknik vid McGill, sa att problemet med solceller är att de inte kan lagra el utan batterier, som har en hög total kostnad och begränsad livslängd.

Enheten är tillverkad av samma mycket använda material som solceller och annan elektronik, inklusive kisel och galliumnitrid (finns ofta i lysdioder). Med en branschklar design som fungerar med bara solljus och havsvatten, enheten banar väg för storskalig produktion av rent vätebränsle.

Tidigare direkta solvattenavskiljare har uppnått lite mer än 1 procent stabil sol-till-väte-effektivitet i sötvatten eller saltvatten. Andra tillvägagångssätt lider av användning av dyra, ineffektiva eller instabila material, såsom titandioxid, det kan också innebära att man lägger till mycket sura lösningar för att uppnå högre effektivitet.

Mi och hans team, dock, uppnått mer än 3 procent sol-till-väte-effektivitet. För att nå denna stabila effektivitet, laget byggde en stadsbild i nanostorlek av galliumnitridtorn som genererade ett elektriskt fält. Galliumnitriden blir ljus, eller fotoner, till mobila elektroner och positivt laddade lediga platser som kallas hål. Dessa fria laddningar delar vattenmolekyler i väte och syre.

"När denna specialkonstruerade skiva träffas av fotoner, det elektriska fältet hjälper till att separera fotogenererade elektroner och hål för att driva produktionen av väte och syre molekyler effektivt, "Sa Chowdhury.

För närvarande, chipets kiselunderlag bidrar inte till dess funktion, men det kan göra mer. Nästa steg kan vara att använda kislet för att fånga upp ljus- och trattladdningsbärare till galliumnitridtornen.

"Även om 3 procents effektivitet kan verka låg, när det sätts i samband med de 40 år av forskning om denna process, det är faktiskt ett stort genombrott, "Mi sa." Naturlig fotosyntes, beroende på hur du räknar ut det har en verkningsgrad på cirka 0,6 procent. "

Han tillägger att 5 procent effektivitet är tröskeln för kommersialisering, men hans team siktar på 20 eller 30 procents effektivitet.

Mi bedriver liknande forskning för att avlägsna koldioxid från dess syre för att göra det resulterande kolet till kolväten, såsom metanol och syngaser. Denna forskningsväg kan eventuellt ta bort koldioxid från atmosfären, som växter gör.

"Det är den riktigt spännande delen, "Sa Mi.

Enheten är dokumenterad i studien, "Ett fotokemiskt system för artificiell fotosyntes för ohjälpt högeffektiv total splittring av rent vatten, "publicerad i Naturkommunikation . Tillsammans med Mi och Chowdhury, medförfattare inkluderar Michel Trudeau från Center of Excellence in Transportation Electrification and Energy Storage, Hydro-Québec, och Hong Guo vid McGill University.