Солнечный свет – это колоссальный неисчерпаемый энергетический источник, использовать который с высокой эффективностью пока умеет только природа, ярким примером чему служит процесс фотосинтеза. Не так давно ученые из Массачусетского технологического института, что в Кембридже, приблизились к производству потенциально экономически не затратных и практичных искусственных аналогов листьев, которые осуществляют расщепление воды на составляющие – кислород и водород. Для человечества это сулит ни много ни мало неисчерпаемый источник энергии, производство которой будет легко и повсеместно доступно.
Изобретенное устройство состоит из кремниевой пластинки размером с карту для игр, которая покрывается с двух сторон слоями катализаторов. Образованная энергия при поглощении кремнием солнечного света, передается катализаторам, которые ее используют для выделения из воды молекул кислорода и водорода.
Получаемый водород представляет собой полностью готовое топливо, использовать которое можно в специальных топливных элементах для генерации энергии, а также сжигать. Примечательно, что в обоих случаях выделение энергии происходит без каких-либо вредных выбросов, ведь отработанное водородное топливо представляет собой не что иное, как обыкновенную воду. Именно поэтому подобное устройство теоретически может стать источником доступной и чистой с экологической точки зрения энергии, производство которой ограничивается использованием воды и солнечного света.
Особенное незабываемое впечатление эта разработка оказала на Роберта Грубса во время презентации на заседании химического общества Америки. Он отметил необходимость доработки и усовершенствования технологии, однако особенно подчеркнул значимость и потенциальную перспективность проекта, заметив при этом, что столь низкая стоимость обеспечит технологии повсеместное распространение в короткий срок.
Сама идея расщеплять воду при помощи полупроводника не нова. Более десятка лет назад Джон Тернер и его группа в Национальной лаборатории в Голдене возобновляемых энергетических источников, что в штат Колорадо произвели чип из арсенида галлия, который способен был осуществлять расщепление воды и при этом сохранял порядка двенадцати процентов энергии света Солнца в виде водорода. Однако используемый материал был слишком дорог и редок, кроме того при постоянном контакте с водой устройство было подвержено ржавлению, отчего быстро выходило из строя.
Для того, чтобы расщепить воду на ее составные части – кислород и водород, требуется одновременно осуществить две химических реакции. Первым шагом в этом сложном процессе является удаление из атомов водорода электронов. Вследствие этого процесса молекула воды подвергается распаду на заряженные ионы водорода и атомы кислорода с отрицательным зарядом. После этого один из используемых катализаторов должен осуществить связь между кислородными атомами, для того, чтобы получить О2. В это же время другой катализатор воздействует на атомы водорода и объединяет их в Н2 молекулу.
Три года тому химик из Массачусетского технологического, Дэниел Носер, со своей командой, нашел частичное решение этой проблемы, используя в качестве катализатора объединения атомов кислорода специальный материал на основе фосфора и кобальта. Уникальность такого катализатора заключается в том, что он способен растворяться, а также преобразовывать во время каталитического цикла. По словам ученого это является огромным преимуществом перед другими катализаторами. Тем не менее, катализатор Носера, получивший название электролизёр, не был достаточно защищен от воздействия коррозии. Кроме того, имелись другие препятствия для использования данного метода для объединения водородных атомов. Для этого процесса лучше всего подошла бы платина, но ее использование экономически нецелесообразно.
В две тысячи девятом году Дэниел Носер вместе с коллегами создали Sun Catalytix, компанию, основной задачей которой является извлечение прибыли из технологии и производства электролизеров. Осенью промышленный индийский гигант Tata инвестировала дополнительные средства в перспективную компанию. Кроме того, ученые получили четыре миллионов американских долларов от управления по перспективным научным исследованиям для создания устройств второго поколения.
Результатом такого масштабного вливания средств стала разработка дешевого катализатора, в изготовлении которого используются одновременно три различных металла, исключающих необходимость использования платины. Наименования составляющих компонентов на данный момент времени неизвестны, так как проект еще официально не опубликован и находится на стадии патентирования.
Из слов Носера стало ясно, что каждый используемый в устройстве металл имеет свою функцию. Первый осуществляет соединения водородных атомов в Н2 молекулу. Второй предназначается для удержания других металлов необходимом сплаве. После того, как сплав наносят на поверхность, второй металл растворяется в результате взаимодействия с водой, оставляя при этом два других металла в недрах пористого материала. Это обеспечивают увеличенную площадь поверхности для осуществления водородной реакции.
Благодаря содержанию в металлах фосфат-ионов, в обычных условиях такая реакция быстро сходит на нет. Для того, чтобы вывести фосфат с поверхности используемого материла, команда ученых и внедрила третий метал, который обеспечивает непрерывную работу устройства.
Для того, чтобы создать искусственный лист, команда Массачусетского технологического университета нанесла катализаторы на кремниевую пластинку с противоположных сторон. Поглощая солнечный свет, кремний осуществляет передачу активных электронов с отрицательным зарядом и электронных вакансий с плюс зарядом к катализаторам на противоположных сторонах, для того, чтобы сформировать молекулы О2 и Н2.
Солнечный коллектор, вне всяких сомнений, представляет собой нечто большее, нежели сплошная пластина кремния. Использование сложной структуры коллектора не что иное как необходимость, ведь минимальное напряжение, необходимое для осуществления реакции расщепления воды составляет около 1.23 вольт, а один элемент из кремния выдает всего пол вольта напряжения.
Именно поэтому команда ученых из массачусетского технологического использовала в своем устройстве доступный и оправданный с коммерческой точки зрения материал, который состоит из трех слоев элементов на основе кремния, что обеспечило напряжение на необходимом уровне для осуществления реакции расщепления воды. Когда устройство помещено в прозрачную емкость и находится под действием солнечного света, оно генерирует постоянный поток водорода и кислорода, который восходит к поверхности. Согласно заявлениям ученых, установка трансформирует 5.5 процентов энергии солнечного света в чистый водород. Исследователи намерены в ближайшее время повысить данный показатель, ровно как и увеличить срок эксплуатации устройства.
Помимо прочего, новый катализатор показала высокую стабильность. Команда ученых в течение целой недели подвергали устройство текстам, используя речную воду, и за время испытаний не отметила какой-либо деградации используемых элементов и снижения их эффективности. Ученые намерены выяснить, способно ли устройство так же стабильно работать в условиях соленой морской воды, ведь это могло бы в значительной степени снизить конечную стоимость получаемого водородного топлива. Представители компании заявляют, что сегодня технология подвергается испытаниям и постоянно совершенствуется, а серийное производство станет возможным только через три года. Игра стоит свеч, ведь искусственные листья способны свести на нет существующий в мире энергетический кризис и обеспечить развивающиеся страны дешевой энергией.{odnaknopka}