Свет вместо электричества: новый способ получения «зеленого водорода»

Водород может стать важной частью нашего будущего энергоснабжения: его можно хранить, транспортировать и сжигать по мере необходимости. Однако большая часть доступного сегодня водорода является побочным продуктом производства природного газа, и это должно измениться по причинам защиты климата. Лучшая стратегия на сегодняшний день для производства экологически чистого «зеленого водорода» — это расщепление воды на водород и кислород с использованием электричества, получаемого из возобновляемых источников энергии, например фотоэлектрических элементов.

Однако было бы намного проще, если солнечный свет можно было использовать непосредственно для расщепления воды. Это именно то, что сейчас делают возможным новые катализаторы в процессе, называемом «фотокаталитическое расщепление воды». Эта концепция еще не используется в промышленности. В Венском техническом университете в настоящее время сделаны важные шаги в этом направлении: в атомном масштабе ученые реализовали новую комбинацию молекулярных и твердотельных катализаторов, которые могут выполнять свою работу при использовании относительно недорогих материалов.

Взаимодействие атомов

«На самом деле, чтобы разделить воду светом, нужно решать две задачи одновременно», — говорит Алексей Черевань из Института химии материалов Венского технического университета. «Мы должны думать о кислороде и о водороде. Атомы кислорода в воде должны быть преобразованы в молекулы O2 , а оставшиеся ионы водорода — просто протоны — должны быть превращены в молекулы H2».

В настоящее время найдены решения для обеих задач. Крошечные неорганические кластеры, состоящие лишь из небольшого числа атомов, закреплены на поверхности светопоглощающих поддерживающих структур, таких как оксид титана. Комбинация кластеров и тщательно подобранных полупроводниковых опор приводит к желаемому поведению.

Кластеры, отвечающие за окисление кислорода, состоят из кобальта, вольфрама и кислорода, а кластеры серы и молибдена подходят для создания молекул водорода. Исследователи поместили эти кластеры на поверхность из оксида титана, где они могут действовать как катализаторы расщепления воды.

«Оксид титана чувствителен к свету, это уже было хорошо известно, — говорит Алексей Черевань. Энергия поглощенного света приводит к созданию свободно движущихся электронов и свободно движущихся положительных зарядов в оксиде титана . Затем эти заряды позволяют кластерам атомов, находящимся на этой поверхности, способствовать расщеплению воды на кислород и водород.

Точный контроль, атом за атомом

«Другие исследовательские группы, работающие над расщеплением воды светом, полагаются на наночастицы, которые могут принимать самые разные формы и свойства поверхности, — объясняет Алексей Черевань. «Размеры трудно контролировать, атомы расположены не совсем одинаково. Поэтому в данном случае невозможно точно объяснить, как именно происходит процесс катализа». С другой стороны, в Венском техническом университете точная структура кластеров определяется с атомарной точностью, что позволяет полностью понять каталитический цикл.

«Это единственный способ получить обратную связь о том, от чего на самом деле зависит эффективность процесса», — говорит Алексей Черевань. «Мы не хотим просто полагаться на метод проб и ошибок и использовать различные наночастицы, пока не найдем лучший вариант — мы хотим выяснить на атомном уровне, какой каталитический цикл на самом деле является оптимальным».

Теперь, когда было доказано, что выбранные материалы подходят для расщепления воды, следующим шагом является дальнейшая настройка их точной структуры для достижения еще более высокой эффективности.

Просто и многообещающе

Решающее преимущество нашего метода перед расщеплением воды электролизом — его простота, — подчеркивает Алексей Черевань. Для производства электрического водорода в первую очередь нужен источник энергии, такой как фотоэлектрические элементы, возможно, устройство для хранения электроэнергии и электролизная ячейка. В целом это приводит к относительно сложной системе, состоящей из множества исходных материалов. С другой стороны, для фотокаталитического расщепления воды все, что необходимо, — это поверхность с соответствующим покрытием, которая покрыта водой и облучается солнцем.

В долгосрочной перспективе этот метод также может быть использован для производства более сложных молекул с использованием концепции искусственного фотосинтеза. Возможно, даже удастся использовать энергию солнечного излучения для получения углеводородов с углекислым газом из атмосферы и воды, которые затем можно будет использовать для других целей.

Дополнительная информация

  • Самар Батул и др., Поверхностное закрепление и активные участки кластеров в качестве сокатализаторов для фотокаталитического выделения водорода, ACS Catalysis (2022). DOI: 10.1021/acscatal.2c00972
  • Сриджит П. Нандан и др., Иммобилизация полиоксоаниона для фотокаталитической реакции выделения кислорода, ACS Materials Au (2022). DOI: 10.1021/acsmaterialsau.2c00025