Вода как топливо будущего

Известно, что основным препятствием на пути к всемерному внедрению возобновляемых источников энергии (прежде всего энергии солнца) оказываются проблемы накопления этой самой энергии и ее транспортировки. Аккумуляторы недешевы и громоздки, да и при преобразованиях световой энергии в электричество, а затем в механическую энергию неизбежны существенные потери.

И как при этом не вспомнить о процессах фотосинтеза, присущих листьям обычных растений, что позволяют запасать солнечную энергию в виде химических соединений? Разрабатываемые системы искусственного фотосинтеза основываются на процессах фотоэлектрического электролиза воды и во многом аналогичны окислительно-восстановительным батареям и топливным элементам, однако можно пойти дальше и получать более традиционные виды горючего.

Исследователям из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) за два года удалось практически удвоить количество известных соединений, потенциально пригодных для получения «солнечного топлива», которое сможет заменить уголь, нефть и другие ископаемые виды горючего [1].

«Солнечное топливо», элементы которого берутся из природной среды (солнечный свет, вода и углекислый газ — CO2), а после использования обратимо возвращаются туда же, — давняя мечта всех поборников чистой энергии. Ученые давно заняты исследованиями обширного класса химических соединений, потенциально пригодных для применения в таком качестве, — от газообразного водорода до жидких углеводородов, — однако производство любой «горючки» не избавляет от необходимости расщепления молекул воды.

Новые материалы создают путем распыления комбинации элементов на тонкие пластины. Фото Caltech
Новые материалы создают путем распыления комбинации элементов на тонкие пластины. Фото Caltech

Все мы знаем, что каждая молекула воды содержит в себе атом кислорода и два атома водорода. Если извлечь из воды эти водородные атомы, а затем соединить их попарно в молекулы водорода, то можно получить высокоэффективный горючий газ, который в сочетании с CO2 может дать и жидкие углеводороды — привычные и удобные для транспортировки и хранения. Проблема, однако, в том, что молекулу воды в обычных условиях не так-то просто расщепить под действием одного лишь солнечного света (иначе океан не покрывал бы большую часть поверхности нашей планеты). Помочь могут специальные катализаторы.

Для того, чтобы получить пригодное для практического использования «солнечное топливо», необходимо подбирать недорогие и эффективные соединения, в присутствии которых происходило бы расщепление молекул воды с использованием видимого или ультрафиолетового света в качестве источника энергии.

Новый подход к программируемому синтезу химических соединений — так называемых фотоэлектрокатализаторов (фотоанодов) — позволяет надеяться на появление в ближайшем будущем коммерчески жизнеспособной технологии искусственного фотосинтеза.

Янь Циминь. Фото с сайта https://sites.google.com/site/qiminyan/
Янь Циминь. Фото с сайта https://sites.google.com/site/qiminyan/

За последние четыре десятилетия удалось выявить 16 подобных соединений. И вот теперь, используя новый метод быстрой идентификации получаемых материалов, группа исследователей под руководством Джона Грегуара (John Gregoire) из Калтеха и Джеффри Нитона и Янь Циминя (Jeffrey Neaton and Qimin Yan) из Беркелеевской лаборатории обнаружила еще 12 новых перспективных фотоэлектрокатализаторов (соответствующая статья [2] появилась 6 марта 2017 года в онлайновом выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences — PNAS). Новый метод разработан в рамках партнерства с Объединенным центром искусственного фотосинтеза (Joint Center for Artificial Photosynthesis — JCAP).

«Чрезвычайно важно то, что в этой работе, которая сочетает в себе экспериментальный и теоретический подход и основана на междисциплинарных исследованиях, мы не только пополнили уже известный список за счет идентификации нескольких новых соединений (потенциально пригодных для производства „солнечного топлива“), но и смогли узнать что-то новое о базовой электронной структуре самих материалов», — подчеркнул Джеффри Нитон, возглавляющий подразделение Molecular Foundry.

Если раньше требовались длительные процедуры тестирования каждого отдельного соединения (на предмет использования в конкретных приложениях), то теперь Дж. Грегуар и его коллеги смогли значительно ускорить этот процесс. За счет объединения расчетных и экспериментальных данных в единой базе потенциально интересных соединений они проводят высокопроизводительные компьютерные скрининговые исследования предполагаемых свойств материалов, а затем уже тестируют наиболее перспективных кандидатов с помощью экспериментальных установок с высокой пропускной способностью.

В работе, описанной в PNAS, изучено 174 ванадатов — соединений, содержащих оксиды ванадия вместе с другим элементами периодической таблицы (прежде всего металлами — железом, медью, никелем, висмутом), что позволило выявить новый «плодовитый» класс фотоанодных материалов для производства химического топлива из солнечного света.

Джон Грегуар проверяет свойства полученных соединений. Фото Caltech
Джон Грегуар проверяет свойства полученных соединений. Фото Caltech

«Нашей группе удалось свести воедино возможности теории, моделирование свойств новых соединений на суперкомпьютерах и новые эксперименты, выполняемые с высокой пропускной способностью. Таким образом, мы научились генерировать научные знания с небывалой скоростью», — заключает Джон Грегуар.

Максим Борисов

1. caltech.edu/news/new-materials-could-turn-water-fuel-future-54294

2. http://resolver.caltech.edu/CaltechAUTHORS:20170306-150101767

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 См. также:

  • От науки до товара09.08.2016 От науки до товара В предыдущем номере ТрВ-Наука мы познакомили читателей с компанией «ИНФРА Технологии» и ее научным директором, докт. хим. наук Владимиром Мордковичем. Компания занимается коммерциализацией научных разработок, проводимых в отделе новых химических материалов и нанотехнологий в ТИСНУМ (Троицк), которым руководит Мордкович. Здесь — подробнее о производстве синтетического жидкого топлива (СЖТ) и получении материалов на основе сверхдлинных углеродных нанотрубок. В теме разбиралась Елена Стребкова.
  • Конец темных веков13.03.2018 Конец темных веков В начале марта 2018 года в Nature опубликована статья про результат астрономических наблюдений, который интерпретируется как свидетельство массового рождения первых звезд во Вселенной возрастом около 180 млн лет. Статья вызвала заметный отклик в СМИ. Для того, чтобы представить результат широкому кругу читателей, требуется экскурс в историю молодой Вселенной.
  • Уиллард Либби и его радиоуглеродный метод14.02.2017 Уиллард Либби и его радиоуглеродный метод В 1955 году в Женеве проходила Международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Выступление одного из докладчиков началось необычно. Он вышел на трибуну с большим чемоданом, вынул из него старую плетеную обувь и объявил, что ее носил житель Северной Америки 9500 лет назад. Затем извлек из чемодана обломок деревянного весла и сказал, что оно изготовлено в Древнем Египте 3000 лет назад. Каким образом докладчик узнал об этом? Дело в том, что на трибуне стоял разработчик радиоуглеродного метода датировки археологических артефактов, будущий лауреат Нобелевской премии американский физикохимик Фрэнк Уиллард Либби.
  • Почему наномашины уже созданы, а нанокомпьютер еще нет?01.11.2016 Почему наномашины уже созданы, а нанокомпьютер еще нет? В прошлом номере ТрВ-Наука речь шла о вкладе трех нобелевских лауреатов этого года по химии в создание наномашин. Сравнительно легко было объяснить суть достижений каждого лауреата, потому что вряд ли найдется человек, который не знает, что автомобиль — ездит, мотор — крутится, челнок — снует взад-вперед (потому и космический корабль, летающий туда-сюда, назвали шаттлом). Что делает компьютер, тоже все знают: говоря самыми общими словами, обрабатывает информацию. А вот как он это делает? И почему молекулярные наномашины уже есть, а молекулярный нанокомпьютер, о котором, так же как и о наномашинах, «дискутировал для забавы» больше 50 лет назад Ричард Фейнман, до сих пор еще не создан?
Подписаться
Уведомление о
guest
1 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Израиль
Израиль
3 года (лет) назад

Поздравляю замечательных Американских ученых. Вот так делается наука в моей родной стране — США!

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: