Исследовательская группа из Технологического университета Чалмерса в Швеции представила инновационный способ производства водорода с помощью солнечного света и воды без использования редкого и дорогого металла – платины. Новый метод, основанный на использовании микроскопических частиц электропроводящего пластика, позволяет получать водород эффективно, экологично и с минимальными затратами, что открывает новые горизонты для возобновляемой энергетики.
Водород играет ключевую роль в глобальном переходе к «зеленой» энергии, поскольку его использование оставляет в качестве побочного продукта только воду. Однако его широкомасштабное и экологически чистое производство сталкивается с серьезными препятствиями. Главная проблема – необходимость применения платины в качестве сокатализатора при расщеплении воды под действием солнечного света. Запасы платины на Земле ограничены, ее добыча сопряжена с рисками для окружающей среды и здоровья, а производство сосредоточено всего в нескольких странах, таких как Южная Африка и Россия.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, команда под руководством профессора Эрганга Ванга продемонстрировала, как можно эффективно получать водородный газ с помощью солнечной энергии, полностью отказавшись от платины. «Разработка эффективных фотокатализаторов без платины была давней мечтой в этой области», – отмечает Александр Холмс, один из ведущих авторов статьи. По его словам, благодаря усовершенствованному дизайну материалов удалось создать систему, производительность которой может даже превосходить платиновые аналоги при радикально более низкой стоимости.
Ключ к успеху лежит в особой конструкции электропроводящего пластика, известного как сопряженный полимер. Такие полимеры эффективно поглощают свет, но обычно плохо взаимодействуют с водой. Ученые смогли изменить свойства материала на молекулярном уровне, сделав его гораздо более совместимым с водной средой. Кроме того, они разработали способ формирования пластика в виде наночастиц, что усиливает взаимодействие с водой и ускоряет процесс преобразования света в водород.
Эффективность фотокатализа видна невооруженным глазом. В лаборатории Технологического университета Чалмерса, когда на лабораторный стакан с водой и наночастицами направляют лампу, имитирующую солнечный свет, почти сразу начинают образовываться и подниматься на поверхность пузырьки водородного газа. По словам исследователей, всего один грамм полимерного материала способен произвести 30 литров водорода за час. Важно и то, что, согласно недавним разработкам коллег, такой электропроводящий пластик можно производить более рентабельно и без использования вредных химикатов.
Следующим важным шагом для группы профессора Ванга станет запуск процесса, использующего только солнечный свет и воду, без каких-либо вспомогательных химикатов. В настоящее время в реакции используется витамин C, который действует как так называемый «жертвенный антиоксидант». Он отдает электроны, предотвращая остановку реакции и обеспечивая в лабораторных условиях высокие показатели выработки водорода.
Для достижения по-настоящему устойчивого производства солнечного водорода конечной целью является одновременное расщепление молекул воды на водород и кислород, где единственными исходными компонентами будут солнечный свет и вода. «Устранение необходимости в платине в этой системе – важный шаг к устойчивому производству водорода для общества, – заключает профессор Эрганг Ванг. – Сейчас мы начинаем изучать материалы и стратегии, направленные на полное расщепление воды без добавок. На это потребуется еще несколько лет, но мы уверены, что находимся на правильном пути».
