Новый подход, имитирующий фотосинтез, позволяет сначала накапливать солнечный свет в специальном растворе, а затем, уже в полной темноте, генерировать из него водород. Это открывает перспективы для решения одной из главных проблем солнечной энергетики –– дорогого и неэффективного хранения и транспортировки энергии из солнечных регионов в места с ее дефицитом.
Исследовательская группа продемонстрировала, что солнечный свет можно «законсервировать» в жидкости с помощью простых химических веществ и позже преобразовать в водородный газ. Примечательно, что этот метод не требует проводов, аккумуляторов или подключения к электросетям. До сих пор ни одной системе, использующей простые и коммерчески доступные материалы, не удавалось сперва накопить солнечную энергию, а затем высвободить ее в виде водорода без какого-либо внешнего электричества.
В основе системы лежат два недорогих материала. Первый –– графитовый нитрид углерода, желтый порошок, который поглощает видимый свет и выступает в роли фотокатализатора. Второй –– метавольфрамат аммония, соединение вольфрама и кислорода, способное принимать и удерживать множество электронов, подобно крошечной перезаряжаемой батарее. Процесс происходит в воде с добавлением небольшого количества метанола, который играет ключевую роль, предотвращая быструю потерю «заряженных» электронов.
Когда на нитрид углерода попадает синий свет, он генерирует электроны, которые немедленно переходят в близлежащие кластеры вольфрама. По мере накопления электронов раствор заметно меняет цвет с бледно-желтого на темно-синий –– это явный признак того, что энергия солнца химически сохранена. Такая эффективная передача заряда возможна благодаря двум факторам: разноименные заряды поверхностей материалов притягивают их друг к другу, а их энергетические уровни идеально согласованы, что позволяет электронам течь естественным образом.
После выключения света накопленная энергия никуда не исчезает. Чтобы высвободить ее, исследователи просто добавляют в темный раствор катализатор на основе платины. Платина становится площадкой, где сохраненные электроны соединяются с протонами из воды, образуя газообразный водород. Таким образом, улавливание солнечного света, хранение энергии и производство водорода разделены на разные этапы и могут происходить в разное время.
Результаты впечатляют: после одного часа пребывания на свету система произвела в темноте 13,5 микромоля водорода. Пиковая скорость генерации достигла 3220 микромолей на грамм в час –– это самый высокий показатель, когда-либо зарегистрированный для подобных систем, работающих в темноте. Испытания на открытом воздухе под реальным солнечным светом также оказались успешными. Авторы исследования подчеркнули, что система демонстрирует «замечательную эффективность в хранении солнечной энергии в виде электронов».
Эта работа доказывает, что солнечную энергию можно улавливать, хранить, перевозить в жидком виде и позже преобразовывать в водород без использования резервуаров высокого давления, экстремального холода или электроэнергии. Если дальнейшие эксперименты подтвердят, что сохраненные электроны стабильны в течение нескольких недель, а не часов, такой подход позволит доставлять энергию, собранную в солнечных регионах, в более темные части мира и превращать ее в топливо по мере необходимости.
Тем не менее у текущего метода есть и ограничения. Например, система зависит от метанола, а не от чистой воды, а долгосрочное хранение за пределами лабораторных временных рамок еще не было продемонстрировано. Ожидается, что будущие исследования, результаты которых опубликованы в журнале Advanced Materials, устранят эти недостатки и превратят транспортировку солнечной энергии из многообещающей концепции в жизнеспособную реальную технологию.
