دانشمندان موفق به معرفی سیستم جدیدی شده اند که تمامی رکوردهای ثبت شده در زمینه ایمنی، عملکرد و ثبات فناوری برگ مصنوعی را با فاصله زیادی پشت سر می گذارد. این سیستم جدید از سه جز اصلی شامل دو الکترود – یک فتوآند و یک فتوکاتد – و یک غشا تشکیل شده است.
بر اساس این گزارش، فتوآند از نور خورشید برای اکسید کردن مولکول های آب، تولید پروتون و الکترون و همچنین گاز اکسیژن استفاده می کند. فتوکاتد پروتون و الکترون را برای شکل گیری گاز هیدروژن بازترکیب می کند.
به گفته “نیت لوئیس”، استاد شیمی در موسسه فناوری کالیفرنیا، بخش کلیدی این طراحی غشا پلاستیکی آن است که گازهای اکسیژن و هیدروژن را جدا نگه می دارد. اگر این دو گاز اجازه ترکیب پیدا کنند و به طور تصادفی مشتعل شوند ممکن است انفجار رخ دهد؛ غشا این امکان را فراهم می کند تا گاز هیدروژن به صورت جداگانه زیر فشار جمع آوری شود و به طور امن راهی یک خط لوله شود.
نمیه رساناهایی مانند سیلیکون یا آرسنید گالیم به خوبی نور را جذب می کنند و از این رو در پنل های خورشیدی به کار گرفته می شوند. با این وجود، سطح این مواد در مواجهه با آب اکسید می شود و بر همین اساس به طور مستقیم برای تولید سوخت قابل استفاده نیستند.
آزمایش پیشین در آزمایشگاه لوئیس به پیشرفتی چشمگیر در طراحی منجر شده بود. این آزمایش نشان داده بود افزودن لایه ای با ضخامت نانومتری از دی اکسید تیتانیوم (TiO2) – ماده ای که در رنگ سفید و بسیاری از خمیردندان ها و کرم های ضد آفتاب یافت می شود – به الکترودها از زنگ زدگی آنها جلوگیری می کند در شرایطی که همچنان به نور و الکترون اجازه عبور می دهد.
سیستم جدید از لایه دی اکسید تیتانیوم با ضخامت 62.5 نانومتر برای پیشگیری موثر از خوردگی و بهبود ثبات آرسنید گالیم بهره می برد.
پیشرفت مهم دیگر استفاده از کاتالیزورهای ارزان و فعال برای تولید سوخت است. فتوآند نیازمند یک کاتالیزور برای انجام واکنش جداسازی آب است. فلزات کمیاب و گران قیمتی مانند پلاتین می توانند به عنوان کاتالیزوری کارآمد استفاده شوند اما تیم پژوهشی طی بررسی های خود دریافتند می توانند کاتالیزور فعال ارزان‌تری را با استفاده از افزودن لایه ای با ضخامت دو نانومتر از نیکل به سطح دی اکسید تیتانیوم تولید کنند.
این کاتالیزور در میان فعال‌ترین کاتالیزورهای شناخته شده برای جداسازی مولکول های آب به اکسیژن، پروتون و الکترون قرار دارد و عامل کلیدی در بهره‌وری بالای دستگاه است.
به گفته نیت لوئیس، پژوهش صورت گرفته نشان می دهد امکان تولید سوخت از نور خورشید به طور ایمن و کارآمد در یک سیستم یکپارچه شده با اجزایی ارزان وجود دارد. تردیدی وجود ندارد که فعالیت های بیشتری برای افزایش طول عمر سیستم و توسعه روش های مقرون به صرفه تولید سیستم های کامل نیاز است که هر دو مورد در حال پیشرفت هستند.
