I årtionden, Forskare runt om i världen har letat efter sätt att använda solenergi för att generera nyckelreaktionen för att producera väte som en ren energikälla – att splittra vattenmolekyler för att bilda väte och syre. Dock, sådana ansträngningar har oftast misslyckats eftersom det var för kostsamt att göra det bra, och att försöka göra det till en låg kostnad ledde till dålig prestanda.

Nu, Forskare från University of Texas i Austin har hittat ett billigt sätt att lösa hälften av ekvationen, använda solljus för att effektivt dela av syremolekyler från vatten. Fyndet, publicerades nyligen i Naturkommunikation , representerar ett steg framåt mot ökad användning av väte som en nyckeldel av vår energiinfrastruktur.

Redan på 1970-talet forskare undersökte möjligheten att använda solenergi för att generera väte. Men oförmågan att hitta material med den kombination av egenskaper som behövs för en enhet som kan utföra de viktigaste kemiska reaktionerna effektivt har hindrat den från att bli en vanlig metod.

"Du behöver material som är bra på att absorbera solljus och, på samma gång, bryts inte ned medan vattenspjälkningsreaktionerna äger rum, sa Edward Yu, en professor vid Cockrell Schools avdelning för elektro- och datateknik. "Det visar sig att material som är bra på att absorbera solljus tenderar att vara instabila under de förhållanden som krävs för vattensönderdelningsreaktionen, medan de material som är stabila tenderar att absorbera dåligt solljus. Dessa motstridiga krav driver dig mot en till synes oundviklig avvägning, men genom att kombinera flera material – ett som effektivt absorberar solljus, som kisel, och en annan som ger bra stabilitet, såsom kiseldioxid – i en enda enhet, denna konflikt kan lösas."

Dock, detta skapar ytterligare en utmaning – de elektroner och hål som skapas av absorption av solljus i kisel måste lätt kunna röra sig över kiseldioxidskiktet. Detta kräver vanligtvis att kiseldioxidskiktet inte är mer än några nanometer, vilket minskar dess effektivitet när det gäller att skydda silikonabsorbatorn från nedbrytning.

Nyckeln till detta genombrott kom genom en metod för att skapa elektriskt ledande banor genom ett tjockt kiseldioxidskikt som kan utföras till låg kostnad och skalas till höga tillverkningsvolymer. Att ta sig dit, Yu och hans team använde en teknik som först användes vid tillverkningen av elektroniska halvledarchips. Genom att belägga kiseldioxidskiktet med en tunn film av aluminium och sedan värma upp hela strukturen, arrayer av nanoskala "spikar" av aluminium som helt överbryggar kiseldioxidskiktet bildas. Dessa kan sedan enkelt ersättas av nickel eller andra material som hjälper till att katalysera vattenspjälkningsreaktionerna.

När den är upplyst av solljus, enheterna kan effektivt oxidera vatten för att bilda syremolekyler samtidigt som de genererar väte vid en separat elektrod och uppvisar enastående stabilitet under långvarig drift. Eftersom teknikerna som används för att skapa dessa enheter ofta används vid tillverkning av halvledarelektronik, de ska vara lätta att skala för massproduktion.

Teamet har lämnat in en provisorisk patentansökan för att kommersialisera tekniken.

Att förbättra hur väte genereras är nyckeln till dess framväxt som en livskraftig bränslekälla. Den största delen av väteproduktionen sker idag genom uppvärmning av ånga och metan, men som är starkt beroende av fossila bränslen och ger koldioxidutsläpp.

Det finns en push mot "grönt väte" som använder mer miljövänliga metoder för att generera väte. Och att förenkla vattenklyvningsreaktionen är en viktig del av det arbetet.

Vätgas har potential att bli en viktig förnybar resurs med några unika egenskaper. Det har redan en stor roll i betydande industriella processer, och det börjar dyka upp i bilindustrin. Bränslecellsbatterier ser lovande ut i långdistanstransporter, och väteteknik kan vara en välsignelse för energilagring, med förmågan att lagra överskott av vind- och solenergi som produceras när förhållandena är mogna för dem.

Går framåt, teamet kommer att arbeta för att förbättra effektiviteten av syredelen av vattendelning genom att öka reaktionshastigheten. Forskarnas nästa stora utmaning är då att gå vidare till den andra halvan av ekvationen.

"Vi kunde ta itu med syresidan av reaktionen först, vilket är den mer utmanande delen, " Yu sa, "men du måste utföra både väte- och syreutvecklingsreaktionerna för att helt splittra vattenmolekylerna, så det är därför vårt nästa steg är att titta på att tillämpa dessa idéer för att göra enheter för vätedelen av reaktionen."