Два шага вперед к солнечной энергии

Новое устройство поглощает солнечный свет (синий цвет), а затем отправляет энергию на катализаторы, которые расщепляют воду (зеленый цвет) и генерируют водород (черный цвет) (SY Reece et al. / Science)

Две независимые исследовательские группы сообщили в журнале Science, что они сделали ключевые шаги в направлении освоения энергии солнечного света для синтеза химического топлива. Если новые разработки будут улучшены, ученые смогут применять наиболее распространенный источник возобновляемой энергии на Земле ко всему, начиная от промышленных предприятий к легковым и грузовым автомобилям, не создавая дополнительных парниковых газов.

Сегодня люди потребляют в среднем 15 трлн. Вт энергии, 85% которой поступает от сжигания ископаемого топлива – нефти, угля и природного газа. Потребление этой большой доли ископаемого топлива создает нежелательные побочные эффекты, такие как изменение климата, подкисления океанов, а также разливы нефти. Скорее всего, эти проблемы еще больше будут расти в ближайшие годы, исходя из того, что использование энергии по всему миру к 2050 году вырастет минимум вдвое.

Возобновляемые источники энергии, включая солнечные фотоэлектрические и ветряные турбины, созданные, чтобы заполнить этот спрос и постоянно совершенствуются, при этом становясь дешевле. Но электричество как энергоноситель имеет основной недостаток. Его трудно хранить в больших количествах, а это значит, что оно не может быть использовано для большей части тяжелой промышленности и транспортных процессов, таких как полет самолетов или вождения тяжелого грузовика.

Поэтому ученые уже давно пытаются использовать энергию солнечного света для получения химических видов топлива богатых на энергию – водород, метан и бензин, которые можно сжигать в любом месте в любое время. И хотя они показали, что это возможно, способы для этого были неэффективными и дорогостоящими.

Вот тут и пришло время для новой технологии. Сначала исследователи под руководством Даниэля Носера, химика из Массачусетского технологического института в Кембридже, сообщили, что они создали «искусственные листья» из дешевых довольно распространенных материалов, которые расщепляют воду на молекулярный водород (H2) и кислород (O2) – что-то вроде того, что обычно осуществляют растения во время первого этапа фотосинтеза. «Листья» состоит из тонкого, плоского, трехслойного кремниевого солнечного элемента с катализаторами, связанными с обеих сторон с кремнием. Если поместить его в стакан воды и подвергнуть воздействию солнечных лучей, кремний поглощает фотоны солнечного света, генерируя электроны с достаточным количеством энергии, чтобы проходить через кремний.

В результате чего позади остаются положительно заряженные электронные вакансии – «дырки», которые также могут перемещаться через материал. Дырки мигрируют на кобальт-содержащий катализатор, расположенный на одной стороне кремниевого элемента, они захватывают электроны из молекул воды, разбивая их на ионы водорода (Н +) и атомы кислорода. Затем катализатор связывает вместе пары атомов кислорода, образуя O2. В то же время, ионы H + переходят на другой катализатор на противоположной стороне кремниевого элемента, где они соединяются с электронами, которые перемещаются, образуя молекулы Н2. В принципе, дальше H2 может быть сохранен, сожжен или запущен для производства электроэнергии в топливных элементах.

Во втором исследовании, команда во главе с Ричардом Маселом, химиком Dioxide Materials в Шампейне, штат Иллинойс, и Пауло Кенисом из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, сообщают, что они придумали более энергетически эффективный подход к преобразованию углекислого газа (CO2) в окись углерода (CO) – первый шаг в создании углеводородного топлива.

Другие исследователи работали в течение десятилетий над разработкой катализаторов и правильных условий для реакций этого преобразования. Но преобразования СО2 в СО всегда требует применения больших электрических напряжений до СО2. Этот избыток напряжения является потерей энергии – т.е. энергии на создание CO используется гораздо больше, чем хранится в его химических связях.

Но Масел, Кенис, и его коллеги обнаружили, что когда они используют в их установке ионную жидкость (тип растворителя для СО2), это уменьшает дополнительные затраты напряжения в 10 раз. Ионные жидкости редки солями, которые стабилизируют такие соединения как СО2, когда они получают дополнительный отрицательный заряд – первый шаг в преобразовании СО2 в СО. И исследователи Иллинойса считают, что эта дополнительная стабилизация уменьшает необходимость применения внешнего заряда для выполнения работы.

«Эти статьи с точки зрения прогресса очень милые», говорит Дэниел Дюбуа, химик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде, штат Вашингтон, который работает над катализаторами для расщепления воды и повторной активизации CO2. Но он предупреждает, что ни одно из исследований не решает все их проблемы. Катализатор искусственных листьев, который создает кислород, например, все еще остается медленным, говорит Дюбуа. И совокупная эффективность «листьев» составляет не более 4,7% – а в наиболее простом дизайне только 2,3%. А катализатор в системе CO2 еще медленнее. Но Дюбуа говорит, что, так как другие исследователи в этой области теперь имеют хорошие примеры систем, которые работают, они могут сосредоточиться на проектировании улучшенных катализаторов для их ускорения.

По материалам: news.sciencemag.org

Поделиться с друзьями:

Также интересно:


Рубрика: Технологии
Вы можете следить за обсуждением этой записи с помощью RSS 2.0. Вы можете оставить комментарий, или trackback с вашего сайта.
Оставить комментарий