一組來自密西根大學的研究人員開發了量子材料，這些材料有潛力徹底改變氫燃料的生產，僅需使用陽光和水。這項突破性研究針對光催化水分解的挑戰進行了深入探討，這是一種生產清潔氫氣的方法。在測試中，他們的激子量子超晶格在清潔氫氣的生產方面顯示出令人印象深刻的效率。氫燃料在減少溫室氣體排放方面具有巨大潛力，因為它燃燒時僅釋放水蒸氣。未來，它或許能為重型運輸工具如卡車、火車和船隻供電，同時支持工業加熱和分散式電力系統。
然而，傳統的氫氣生產往往依賴化石燃料，這削弱了其環境效益。光催化水分解的方法利用陽光驅動化學反應，這有潛力實現大規模的環保氫氣生成。密西根大學的團隊針對分解水分子為氫和氧時低效能的光催化劑長期以來的挑戰進行了改進，提供了一種更清潔的替代方案。他們開發的激子量子超晶格由超薄的氮化鎵和鋁鎵化合物組成，這些材料形成了增強光電特性的週期性堆疊。
最終，團隊發現這些材料能以驚人的效率分解水並生產清潔氫氣。團隊的測試結果顯示，他們的材料在環境條件下，利用集中陽光時的氫氣產率達到 3.16% 的效率，而在戶外放大展示中，則在 204 倍陽光強度下平均達到 1.64%。研究人員在論文中指出，直接從陽光和水中生產清潔氫氣已成為實現碳中和和環境可持續性的前景之一。然而，光催化劑中光生電荷載體的低效利用限制了太陽能轉氫效率的提升。
他們展示了利用激子量子超晶格結構，這些結構由納米級的氮化鎵和鋁鎵組成，實現了有效的電荷引導以進行光催化水分解。研究人員利用量子限制的斯塔克效應來延長光生間接激子的壽命，這些激子是由電子和由庫倫相互作用束縛的空穴組成。雖然測試中的效率提升是一個進步，但仍低於廣泛商業應用所需的水平。然而，這項工作展示了量子超晶格在光催化系統中的潛力。
未來的改進可能會進一步提升性能，並激勵其他材料的類似設計。這項新突破最終可能幫助避免氣候變化的最壞影響，促進可再生燃料的轉型。隨著能源需求的增長，這項研究可能在實現碳中和、減少對化石燃料的依賴以及促進更綠色的地球方面發揮關鍵作用。該論文已發佈於《自然能源》期刊。
