Ученые открыли революционный метод получения топлива из воды и солнечного света

Опубликовано: 11 Дек 2024 | Источник: Frontiers in Science

Исследования

Японские ученые из Университета Синшу совершили прорыв в области возобновляемой энергетики, представив экспериментальный фотокаталитический реактор для производства водородного топлива из солнечного света и воды. Этот реактор занимает площадь 100 квадратных метров. Его ключевым элементом является использование фотокаталитических пластин, специально разработанных для эффективного разделения молекул воды (H₂O) на составляющие элементы – водород (H₂) и кислород (O₂). Выделяющийся водород является чистым и возобновляемым топливом, которое может использоваться в различных энергетических системах, от электромобилей до стационарных электростанций.

Вид с воздуха на работающую систему фотокатализаторов площадью 100 м2 для производства солнечного водорода. Система состоит из 1600 панельных реакторов (каждый площадью 625 см2), где 48 панельных реакторов объединены в модуль площадью 3 м2, а 33 и одна треть (33 + 1/3) модулей соединены в одну систему. Панельный реактор соединён с установкой для разделения газов. — Вид с воздуха на работающую систему фотокатализаторов площадью 100 м² для производства солнечного водорода. Система состоит из 1600 панельных реакторов (каждый площадью 625 см²), где 48 панельных реакторов объединены в модуль площадью 3 м², а 33 и одна треть (33 + 1/3) модулей соединены в одну систему. Панельный реактор соединён с установкой для разделения газов.

Проблемы существующих методов

Существующие методы получения водорода, такие как паровой риформинг природного газа, являются энергоемкими и сопровождаются выбросами парниковых газов, что делает их несовместимыми с целями по снижению углеродного следа. Электролиз воды, хотя и является более экологичным способом, все же требует значительного количества электроэнергии, которая часто вырабатывается на традиционных тепловых электростанциях. В этом контексте, технология, предлагаемая японскими учеными, представляет собой принципиально новый подход, потенциально способный решить проблему получения экологически чистого и экономически выгодного водорода.

Путь к коммерциализации

Несмотря на впечатляющие результаты, путь к коммерциализации данной технологии еще далек от завершения. Профессор Казунари Домен, старший автор исследования, подчеркивает, что эффективность текущих фотокатализаторов остается недостаточно высокой. Основная проблема заключается в необходимости разработки более эффективных и долговечных фотокаталитических материалов. Существующие материалы, как правило, страдают от низкой квантовой эффективности (способности преобразовывать фотоны солнечного света в химическую энергию), быстрого износа и высокой стоимости.

Мини-пилотная система для производства «зелёного» метана (CH4). (A) Схема и (B) фотография системы. Система состоит из (i) фотореактора для расщепления воды, который производит газообразный оксиводород из воды, (ii) сепаратора водорода (H2), который извлекает очищенный H2 из оксиводорода, поглотителя кислорода (O2), который повышает чистоту H2, и (iii) синтезатора CH4, который преобразует углекислый газ (CO2) в метан. Полученный метан извлекается в (iv) баллоне. Побочный продукт H2O при метанизации CO2 выводится наружу. CO2 подается извне. — Мини-пилотная система для производства «зелёного» метана (CH₄). **(A)** Схема и **(B)** фотография системы. Система состоит из (i) фотореактора для расщепления воды, который производит газообразный оксиводород из воды, (ii) сепаратора водорода (H₂), который извлекает очищенный H₂ из оксиводорода, поглотителя кислорода (O₂), который повышает чистоту H₂, и (iii) синтезатора CH₄, который преобразует углекислый газ (CO₂) в метан. Полученный метан извлекается в (iv) баллоне. Побочный продукт H₂O при метанизации CO₂ выводится наружу. CO₂ подается извне.

Детали исследования

Исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Science, детально описывает конструкцию реактора и характеристики используемых фотокатализаторов. Ученые изучили различные типы фотокаталитических материалов, оптимизируя их состав, структуру и поверхностные свойства для максимизации эффективности процесса фотокаталитического расщепления воды. Они экспериментировали с различными наноструктурами, легированием материалов и использованием различных покрытий для повышения их стабильности и увеличения срока службы. Кроме того, важной частью исследования было изучение влияния различных параметров, таких как интенсивность солнечного света, температура и рН воды, на эффективность процесса.