Michigan Üniversitesi araştırmacıları, geliştirdikleri yeni eksitonik kuantum süper-latislerle (supperlattice) güneş enerjisi kullanarak temiz hidrojen üretimini gerçekleştirebildiğini öne sürüyor. Eksitonik kuantum süper-latisler, elektron ve oyuk çiftlerinin (eksitonların) oluştuğu ultra ince katmanlı süperiletken malzemeler. Süper-latis; iki malzemenin nanometre ölçeğinde periyodik yığılarak optoelektronik özellikler göstermesine deniyor. Optoelektronik özellik, malzemenin ışık ve elektrik arasındaki etkileşime verdiği tepkiye deniyor.
Hidrojen yakıtı, yalnızca su buharı saldığı için fosil yakıtlara umut verici bir alternatif. Dünya’daki sera gazı emisyonlarını azaltmaya yardımcı olabilecek hidrojen. ağır yük taşıyan araçlarda (kamyon, tren, gemi), endüstriyel ısıtmada ve merkezi olmayan enerji üretim sistemlerinde kullanılabilir. Ancak, günümüzde hidrojen üretiminin büyük kısmı hala fosil yakıtların yakılmasına dayanıyor. Bu da hidrojenin çevresel avantajlarını sınırlıyor.
Temiz hidrojen üretiminde en çok kullanılan yöntem fotokatalitik su ayrıştırma yöntemi. Güneş ışığına duyarlı malzemeler (fotokatalizörler) kullanılarak su molekülleri hidrojen ve oksijene ayrılıyor. Ancak elektron ve oyukların (hol) uzun süre ayrı kalamaması, yöntemin sürdürülebilirliğini zedeliyor.
Yuyang Pan, Bingxing Zhang ve ekip arkadaşları, makalelerinde şunları söylüyor: “Güneş ışığı ve sudan doğrudan temiz hidrojen üretmek, karbon nötrlüğü ve çevresel sürdürülebilirlik için umut verici bir yol olarak öne çıkıyor. Ancak fotokatalizörlerde ışıkla oluşan yük taşıyıcılarının verimsiz kullanımı, güneşten hidrojene dönüşüm verimini sınırlıyor. Biz, nanometre ölçeğinde galyum nitrür ve indiyum galyum nitrürden oluşan eksitonik kuantum süper-latis yapıları kullanarak yüklerin etkili şekilde yönlendirilmesini ve fotokatalitik su ayrıştırmayı sağlıyoruz.”
Araştırmacılar, galyum nitrür ve indiyum galyum nitrürü bir araya getirerek süper-latis tasarladı. Tasarladıkları katmanlı yapıda elektron ve oyukların Coulomb etkileşimiyle birbirine bağlanarak oluşturduğu dolaylı eksitonların ömrünü uzatmayı başardı. Dolaylı eksiton, elektron ile oyuğun farklı katmanlarda bulunmasına rağmen elektriksel çekimle bağlı kalması anlamına geliyor. Bu mekansal ayrışma, çiftin hemen yeniden birleşmesini engelliyor. Ekip, kuantum hapsine bağlı Stark etkisinden yararlanıyor. Bu etki, nanometre ölçekli katmanlarda oluşan iç elektrik alanın enerji seviyelerini kaydırması ve elektron ile oyuğu zıt yönlere doğru itmesiyle ortaya çıkıyor.
Sonuç olarak elektron ve oyuk daha uzun süre ayrık kalıyor, yeniden birleşme yavaşlıyor ve fotokatalitik reaksiyonlar için kullanılabilecek süre uzuyor.
Gelecek adımlar
Böylece fotonlarla üretilen yükler yüzey reaksiyonları için etkili şekilde kullanılabiliyor. Laboratuvar ortamında yoğunlaştırılmış güneş ışığı altında %3,16 güneşten hidrojene dönüşüm verimi elde ediliyor. Açık hava ölçeklendirme deneyinde ise 204 kat yoğunlaştırılmış güneş altında ortalama %1,64 verim gözleniyor.
Phys org’a göre; başlangıç için verimliliği geniş çaplı kullanım için yeterli değil,, ancak araştırma kuantum süper-latisler kullanılarak suyun hidrojene dönüştürülebileceğini gösteriyor. Araştırma büyük ölçekli temiz hidrojen üretimi için yeni olasılıklar açıyor ve gelecekte sera gazı emisyonlarını azaltmada kullanılabilecek bir yöntem olabilir.
Kaynak: Nature Energy