Японские ученые продемонстрировали новый реактор-прототип, способный получать возобновляемое водородное топливо из солнечного света и воды.
Этот реактор площадью 100 квадратных метров использует фотокаталитические пластины, которые необходимы для разделения содержащихся в молекулах воды атомов кислорода и водорода. В результате выделяется водород, который в дальнейшем может быть использован в качестве топлива.
Несмотря на то, что технология находится на начальном этапе разработки, ученые утверждают, что, если удастся создать более эффективные фотокатализаторы, их открытие может позволить производить дешевое и экологически чистое водородное топливо для различных энергетических нужд. Свои результаты они опубликовали 2 декабря в журнале Frontiers in Science.
«Разделение воды с использованием фотокатализаторов под воздействием солнечного света является идеальной технологией для преобразования солнечной энергии в химическую, а также её хранения. Недавние достижения в области фотокаталитических материалов и систем внушают надежду на реализацию этой идеи, — заявил ведущий автор исследования, профессор химии Университета Синсю Кадзунари Домен (Kazunari Domen). — Однако предстоит преодолеть множество сложностей.»
Под воздействием света фотокатализаторы ускоряют химические реакции, которые разрушают молекулы воды на составляющие элементы. Однако большинство существующих «одноступенчатых» катализаторов, которые сразу расщепляют воду на водород и кислород, крайне неэффективны. Это приводит к тому, что большую часть водородного топлива приходится производить с использованием природного газа, являющегося ископаемым топливом.
Чтобы найти способ обойти эту проблему, исследователи изучили фотокатализатор, использующий более сложный двухступенчатый процесс. На первом этапе выделяется кислород, а на втором — водород.
Создание фотокатализатора для этого процесса позволило ученым построить прототип реактора, который работал на протяжении трех лет и показал лучшие результаты под воздействием естественного солнечного света, чем при использовании ультрафиолетового света в лаборатории.
«В нашей системе с использованием фотокатализатора, реагирующего на ультрафиолет, эффективность преобразования солнечной энергии была примерно в полтора раза выше при естественном солнечном свете, — отметил первый автор исследования, ученый Университета Синсю Такаши Хисатоми (Takashi Hisatomi). — При моделировании стандартного солнечного света используется спектр, полученный в регионе со слегка высокой широтой. В области, где естественный солнечный свет содержит больше коротковолновых компонентов, чем имитируемый эталонный солнечный свет, эффективность преобразования солнечной энергии может быть выше.»
Несмотря на обнадеживающие результаты, эффективность реакции пока недостаточна для коммерческого использования.
«В настоящее время эффективность под имитированным солнечным светом составляет максимум 1%, и она не достигнет 5% при естественном солнечном освещении», — подчеркнул Хисатоми.
Чтобы добиться значительного повышения эффективности, ученые призывают к разработке более совершенных фотокатализаторов и созданию реакторов большего размера. Важным аспектом остается обеспечение безопасности: процесс переработки водородного топлива также сопровождается образованием взрывоопасного побочного продукта — оксиводорода, который можно безопасно утилизировать в рамках двухступенчатого процесса.
«Ключевым аспектом развития этой технологии является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в химическую с помощью фотокатализаторов, — отметил Домен. — Если этот показатель удастся довести до практического уровня, многие исследователи начнут серьезно заниматься разработкой технологий массового производства, процессов разделения газа, а также строительством крупномасштабных заводов. Это изменит отношение людей, включая политиков, к преобразованию солнечной энергии, и ускорит разработку инфраструктуры, законов и нормативных актов, связанных с солнечными видами топлива.»
