Создать чистый водород сложно, но исследователи только что решили серьезную проблему

Создать чистый водород сложно, но исследователи только что решили серьезную проблему

На протяжении десятилетий исследователи по всему миру искали способы использования солнечной энергии для генерации ключевой реакции производства водорода в качестве чистого источника энергии – расщепления молекул воды с образованием водорода и кислорода. Однако такие усилия в большинстве случаев не увенчались успехом, потому что делать это было слишком дорого, а попытки сделать это с низкими затратами приводили к низкой производительности.

Теперь исследователи из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ решить половину уравнения, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды. Открытие, опубликованное недавно в Nature Communications , представляет собой шаг вперед к более широкому внедрению водорода в качестве ключевой части нашей энергетической инфраструктуры.

Еще в 1970-х годах исследователи изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но невозможность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для устройства, которое может эффективно выполнять ключевые химические реакции, не позволила ему стать основным методом.

«Вам нужны материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разлагаются, пока происходят реакции расщепления воды», – сказал Эдвард Ю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники школы Кокрелла. «Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, имеют тенденцию быть нестабильными в условиях, необходимых для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы, как правило, плохо поглощают солнечный свет. Эти противоречивые требования подталкивают вас к, казалось бы, неизбежному компромиссу , но объединив несколько материалов – один, который эффективно поглощает солнечный свет, такой как кремний, и другой, который обеспечивает хорошую стабильность, например диоксид кремния, – в одном устройстве, этот конфликт может быть разрешен».

Однако это создает другую проблему – электроны и дырки, созданные поглощением солнечного света в кремнии, должны иметь возможность легко перемещаться через слой диоксида кремния. Обычно для этого требуется, чтобы слой диоксида кремния был не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите кремниевого поглотителя от разрушения.

Ключом к этому прорыву стал метод создания токопроводящих дорожек через толстый слой диоксида кремния, который можно выполнить с низкими затратами и масштабировать до больших объемов производства. Чтобы добиться этого, Ю и его команда использовали технологию, впервые примененную при производстве полупроводниковых электронных чипов. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия и затем нагревая всю структуру, образуются массивы наноразмерных «шипов» алюминия, которые полностью перекрывают слой диоксида кремния. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.

При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и демонстрировать выдающуюся стабильность при длительной эксплуатации. Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, их должно быть легко масштабировать для массового производства.

Команда подала предварительную заявку на патент на коммерциализацию технологии.

Улучшение способа производства водорода является ключом к его превращению в жизнеспособный источник топлива. Большая часть производства водорода сегодня происходит за счет нагревающего пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.

Существует тенденция к «зеленому водороду», при котором используются более экологически чистые методы производства водорода. И упрощение реакции расщепления воды – ключевая часть этих усилий.

Водород может стать важным возобновляемым ресурсом с некоторыми уникальными качествами. Он уже играет важную роль в важных производственных процессах и начинает проявляться в автомобильной промышленности. Батареи на топливных элементах выглядят многообещающе для грузовых перевозок на дальние расстояния, и водородная технология может стать благом для хранения энергии, поскольку она способна накапливать излишки энергии ветра и солнца, производимой, когда для них созревают условия.

В дальнейшем команда будет работать над повышением эффективности кислородной части расщепления воды за счет увеличения скорости реакции. Следующая серьезная задача исследователей – перейти к другой половине уравнения.

«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне реакции, которая является более сложной частью, – сказал Ю, – но вам необходимо выполнить реакции выделения водорода и кислорода, чтобы полностью расщепить молекулы воды, поэтому наш следующий шаг состоит в том, чтобы рассмотреть применение этих идей для создания устройств для водородной части реакции ».

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США через Директорат инженерии и программу центров материаловедения и инженерии (MRSEC). Ю работал над проектом со студентами UT Austin Сунил Ли и Алекс Де Пальма, а также Ли Джи, профессором Университета Фудань в Китае.