Европейские химики научились запасать энергию света при помощи ржавчины и воды



Европейские химики создали высокоэффективный катализатор расщепления молекул воды, который позволит запасать до 16% от энергии солнечного света в виде молекул водорода по сверхнизкой цене в ближайшем будущем, и опубликовали «рецепт» по его созданию в статье в журнале Nature Photonics.

«Самый дорогой компонент в нашем устройстве — стеклянная плита. Мы надеемся, что мы сможем разработать сверхдешевый катализатор, который будет поглощать до 10% света, уже в ближайшие годы. Квадратный метр его поверхности будет обходиться потребителям всего в 80 долларов. При такой цене наша разработка сможет конкурировать с традиционными методами извлечения водорода из воды», — заявил руководитель группы химиков Кевин Сивула (Kevin Sivula) из Политехнической федеральной школы в Лозанне (Швейцария).

Сивула и его коллеги пытались решить одну из важнейших задач современной науки — поиск энергетически и экономически эффективных катализаторов, способных расщеплять воду на водород и кислород при помощи солнечного света.

Как объясняют авторы статьи, все существующие устройства подобного рода либо крайне неэффективны, или чрезмерно дороги. Как правило, дешевые катализаторы способны поглощать лишь 0,5–1% от энергии солнечного света, а установки с высокой эффективностью требуют больше расходов, нежели окисление метана при помощи водного пара — основной способ получения водорода в промышленности. Химики обратили свое внимание на полупроводниковые методы расщепления воды на водород и кислород. Полупроводники в таких катализаторах используются в качестве световых «антенн», которые улавливают свет Солнца и используют его энергию для производства электронов, восстанавливающих водород в молекулах воды. Подобные катализаторы отличаются высокой эффективностью, однако их сверхвысокая стоимость мешает промышленному применению подобных устройств.

Сивула и его коллеги предположили, что конструкцию полупроводниковых катализаторов можно значительно удешевить при помощи самого дешевого полупроводника — обычной ржавчины (Fe2O3). Авторы статьи провели несколько опытов и создали два дешевых катализатора на основе наночастиц из оксидов железа и вольфрама.

Катализатор авторов статьи достаточно просто устроен. Его верхний слой состоит из наночастиц оксида железа или вольфрама, смешанных с микрогранулами из кремния. Эта смесь использует энергию солнечного света для производства электронов, которые транспортируются через второй слой — стеклянную пластину — в центр производства водорода, представляющий собой дешевую солнечную батарею из оксида титана и светочувствительной краски.

Когда фотоны света проходят через этот «бутерброд», они поочередно взаимодействуют с частицами оксидов в верхнем и нижнем слое, создавая необходимые электрохимические условия для расщепления молекул воды. По словам ученых, даже относительно неэффективные прототипы их катализатора способны запасать от 1,4 до 3,6% энергии солнечного света в виде молекул воды.

Сивула и его коллеги утверждают, что улучшение качества порошка из оксида и эффективности солнечной батареи позволит достичь теоретического максимума производительности для таких устройств — 16% от общей энергии света. Подобной эффективности будет достаточно для конкуренции с традиционными методами получения водорода из водного пара и метана.

Источник

«Это нормально не знать ответы на все вопросы. Лучше признавать свое невежество, чем верить в ответы, которые могут быть неправильными. Притворство что мы знаем все, закрывает дверь для понимания что же там на самом деле»

Нил Деграсс Тайсон

Научный подход на Google Play

Файлы

Популярная физика

Глаз разума

Физика невозможного

Происхождение человека и половой отбор