Наша планета за один час получает такой поток солнечного излучения, энергии которого хватило бы на удовлетворение годовой потребности человечества. Солнечная энергетика – один из наиболее перспективных методов добычи «зеленой» энергии. В числе направлений её развития – искусственный фотосинтез (процесс, в котором энергия Солнца преобразуется в химическую энергию топлива).

В природе фотосинтез идет по так называемой Z-схеме: квант света поглощается молекулой пигмента, образуется высокопотенциальный электрон, который затем путешествует по электронтранспортной цепи. Энергетическая диаграмма этого процесса, необходимого для преобразования углекислого газа в органические вещества, по форме напоминает лежащую на боку букву Z с вертикальными линиями, соответствующими поглощению квантов энергии.

Система, разработанная исследователями из Лаборатории Беркли (США), работает по подобной схеме. В ней задействованы два распространенных на Земле стабильных полупроводника (кремний и диоксид титана) с омическим контактом и сокатализаторы. Кремний играет роль фотокатода, на котором выделяется водород, а диоксид титана служит фотоанодом, на котором образуется кислород. Для повышения производительности системы была использована древовидная архитектура. Как и настоящие деревья в лесу, получившиеся наноструктуры препятствуют отражению солнечного света и обеспечивают большую площадь поверхности для реакций, в ходе которых образуется топливо.

На иллюстрации показано, как кремниевый лес с листвой из диоксида титана использует энергию солнечного излучения для расщепления воды на кислород и водород. Нанопровода TiO2 (синий)  выращены в верхней части нанопроводов из Si (серый). «Стволы» и «ветви» поглощают фотоны из различных областей солнечного спектра. Образовавшиеся фотовозбужденные пары электрон-дырка (желтый и зеленый соответственно) участвуют в расщеплении воды на кислород и водород на границе полупроводника и электролита в присутствии сокатализаторов (желтые и серые точки).

Экспериментальная система, отмечается в пресс-релизе Berkeley Lab, который цитирует Popmech, не может похвастаться высокой производительностью: эффективность преобразования энергии излучения в химическую составляет всего 0,12%. И хотя в природе такой показатель является нормальным для некоторых фотосинтезирующих организмов, для коммерческого использования технологии её предстоит доработать. В качестве одного из предполагаемых усовершенствований – замена диоксида титана, «отстающего» от кремния по фототоку, на другой материал анода.