Солнечный свет расщепляет воду непосредственно на водород для топлива будущего

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.