Используя только солнечный свет и фотокатализаторы, реактор площадью 100 квадратных метров производил водород без углерода в течение трех лет, демонстрируя потенциал концепции. Этот подход все еще значительно менее эффективен, чем более распространенный метод, когда фотоэлектрические панели сначала превращают солнечный свет в электричество, но в теории прямой подход может еще больше снизить производственные затраты. Обзор состояния прямого производства водорода с использованием солнечного света опубликован в открытом доступе в журнале Frontiers in Science.
Водород — это самое чистое топливо — при сжигании или реакции в топливном элементе он не производит ничего, кроме воды. Мы уже используем огромное количество водорода, например, для производства удобрений и метанола. Однако большая его часть производится с использованием ископаемого топлива (так называемого «серого водорода»), выделяя углекислый газ. Для текущих применений необходим лучший способ, не говоря уже о широко распространенных (хотя и весьма спорных ) мечтах об использовании водорода для экологически чистого транспорта , отопления или производства стали .
Зеленый водород не имеет такого загрязнения, полагаясь вместо этого на солнечную или ветровую энергию для расщепления молекул воды на их составные элементы. Хотя это и мало, это быстро растет, но в подавляющем большинстве полагается на преобразование в электричество в качестве промежуточного шага. Профессор Такаши Хисатоми и профессор Казунари Домен из Университета Синсю считают, что мы можем добиться большего, пропустив этот этап, и продемонстрировали возможность, хотя пока и не практичность.
«Расщепление воды под действием солнечного света с использованием фотокатализаторов является идеальной технологией для преобразования и хранения солнечной энергии в химическую, и последние разработки в области фотокаталитических материалов и систем вселяют надежды на ее реализацию», — говорится в заявлении Домена.
Как следует из названия, фотокатализаторы стимулируют химические реакции в присутствии света. Хотя есть много реакций, где это может быть полезно, расщепление воды на водород и кислород — это то, где кроется потенциал, способный изменить мир.
Команда под руководством Хисатоми и Домена построила прототип реактора площадью 100 м2 , используя листы фотокатализатора SrTiO3 : Al. Несколько сокатализаторов были помещены в раствор поверх этих листов, и вода испарялась. Вода протекала мимо катализаторов, а газы отводились по трубкам.
Ни одно преобразование энергии не является эффективным на 100 процентов, поэтому каждый дополнительный этап снижает потолок для максимальной общей эффективности. Например, самые эффективные солнечные элементы в мире с трудом улавливают 30 процентов энергии солнечного света в электричество, а те, которые находятся в массовом производстве, едва превышают 20 процентов. Когда электричество применяется к воде, неэффективность возникает снова, особенно если используются дешевые катализаторы на основе никеля вместо катализаторов из драгоценных металлов. Ведется обширная работа по улучшению этого, но даже если каждый этап эффективен на 30 процентов, комбинация означает, что водородное топливо в конечном итоге будет иметь всего 9 процентов энергии Солнца.
Если бы подходящие фотокатализаторы имели эффективность 10 процентов, это означало бы больше водорода за то же количество солнечного света. Это, вероятно, позволило бы зеленому водороду наконец-то конкурировать с серым продуктом по цене.
К сожалению, в настоящее время это невозможно. Лабораторные исследования прямого преобразования с использованием имитированного солнечного света дали плачевно низкую эффективность. Нормально, когда любое новшество терпит еще большие потери при внедрении в реальный мир, но в этом случае строителей ждал приятный сюрприз.
«В нашей системе, использующей фотокатализатор, реагирующий на ультрафиолет, эффективность преобразования солнечной энергии была примерно в полтора раза выше при естественном солнечном свете», — сказал Хисатоми. Это следствие того, что глобальный стандарт для имитируемого солнечного света основан на условиях более высоких широт, чем Токио, где находится испытательный реактор — исторический северный уклон науки оставил след даже в исследованиях Солнца. Реакторы в тропиках, где солнечный свет имеет еще более высокую ультрафиолетовую составляющую, должны работать еще лучше.
Тем не менее, работа все еще далека от того, что нужно. «В настоящее время эффективность при имитации стандартного солнечного света составляет в лучшем случае 1%, и она не достигнет 5% эффективности при естественном солнечном свете», — сказал Хисатоми.
Низкая эффективность не только увеличивает затраты: неэффективные реакторы также занимают непрактично много места, поскольку им необходимо слишком много солнечного света.
Более крупные реакторы несколько повысили бы эффективность, но реальный прогресс зависит от поиска более эффективных фотокатализаторов. Работа в этой области началась с диоксида титана, который распространен, но неэффективен, и теперь фокусируется на гораздо более сложных катализаторах, таких как RhCrO x /SrTiO 3 :Al.
Другие вопросы, которые необходимо решить, относятся ко всем формам расщепления воды, например, предотвращение рекомбинации водорода и кислорода, иногда взрывоопасной, перед их безопасным раздельным хранением.
Хисатоми и Домен утверждают, что для этого нам необходим глобальный процесс аккредитации, подобный процессу сертификации заявлений об эффективности солнечных элементов, с едиными нормами безопасности и стандартами эффективности.
В настоящее время существует очень большая разница в стоимости водорода, полученного таким образом, и загрязняющей окружающую среду версии. Однако Домен не унывает. Если появятся лучшие фотокатализаторы, сказал он: «Многие исследователи будут серьезно работать над разработкой технологии массового производства и процессов разделения газов, а также над крупномасштабным строительством установок. Это также изменит то, как многие люди, включая политиков, думают о преобразовании солнечной энергии, и ускорит развитие инфраструктуры, законов и правил, связанных с солнечным топливом».
Некоторые надеются, что добыча природного водорода , запасы которого, как недавно выяснилось , гораздо более обильны , чем считалось ранее, спасет нас, однако практичность его повсеместного сбора пока еще почти не изучена.
Поставлено под сомнение главное оружие охотников на мамонтов
В научной среде долго бытовало мнение, что в древности охотники Северной Америки охотились на мамонтов и другую мегафауну при помощи атлатля — метательного приспособления, которое использует рычаг для увеличения скорости…
Случайные колебания времени могут помочь разгадать величайшую загадку гравитации
Самый сложный вопрос в физике на данный момент — это то, как общая теория относительности — законы, управляющие гравитацией и пространством-временем в больших масштабах — сочетается с квантовой механикой, законами,…
Древний раскол континента способствовал образованию ледяного щита Антарктиды
Когда Антарктида отделилась от Африки во время распада суперконтинента Гондвана 160 миллионов лет назад, этот разрыв не только разделил континенты. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, он, возможно, также спровоцировал…
Президент Путин провел совещание в пункте объединенной группировки. Главное
Президент России Владимир Путин посетил один из вспомогательных пунктов Объединенной группировки войск в зоне СВО. Российский лидер отметил, что стратегическая инициатива сохраняется за вооруженными силами РФ. Путин поручил проанализировать вовлеченность…
МО: за ночь над регионами России уничтожили 389 украинских БПЛА
Средства ПВО за ночь на субботу перехватили и уничтожили 389 украинских беспилотников над регионами России, акваториями Черного и Азовского морей. Об этом сообщили в Минобороны РФ. "В течение ночи в…
Хинштейн: за сутки артиллерия ВСУ 93 раза обстреляла Курскую область, также сбиты 123 БПЛА
Артиллерия ВСУ обстреляла 93 раза приграничье Курской области, в регионе сбито 123 беспилотника ВСУ разного типа. Об этом сообщил губернатор Александр Хинштейн. "Всего в период с 9:00 3 июля до…
Юбилей США не радует даже самих американцев
США празднуют 250-летний юбилей в ужасном настроении. Только половина американцев испытывают гордост...
Радар обнаружил в Узбекистане скрытый 2000-летний греческий военный лагерь
Хотя образ Александра Великого широко распространен в народе, он был талантливым военным стратегом, ...
Всегда смущало наличие в ПДД гужевой повозки. Сейчас вообще вопросов не возникает.
Этот сайт использует файлы «cookie» с целью повышения удобства его использования. Во время посещения сайта вы соглашаетесь с тем, что мы обрабатываем ваши персональные данные с использованием сервиса «Яндекс. Метрика». Продолжая использовать сайт, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.
Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций
(Роскомнадзор). Реестровая запись от 07.06.2022 серия ЭЛ № ФС 77 – 83392. При использовании, полном или частичном
цитировании материалов planet-today.ru активная гиперссылка обязательна. Мнения и взгляды авторов не всегда совпадают с
точкой зрения редакции. На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии
предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей
сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)".