Химики научились запасать энергию света при помощи ржавчины и воды

Европейские химики создали высокоэффективный катализатор расщепления молекул воды, который позволит запасать до 16% от энергии солнечного света в виде молекул водорода по сверхнизкой цене в ближайшем будущем, и опубликовали "рецепт" по его созданию в статье в журнале Nature Photonics. "Самый дорогой компонент в нашем устройстве - стеклянная плита. Мы надеемся, что мы сможем разработать сверхдешевый катализатор, который будет поглощать до 10% света, уже в ближайшие годы. Квадратный метр его поверхности будет обходиться потребителям всего в 80 долларов. При такой цене наша разработка сможет конкурировать с традиционными методами извлечения водорода из воды", - заявил руководитель группы химиков Кевин Сивула (Kevin Sivula) из Политехнической федеральной школы в Лозанне (Швейцария).

Сивула и его команда пытались решить одну из важнейших задач современной науки - поиск энергетически и экономически эффективных катализаторов, способных расщеплять воду на водород и кислород при помощи солнечного света. Как объясняют авторы статьи, все существующие устройства подобного рода либо крайне неэффективны, или чрезмерно дороги. Как правило, дешевые катализаторы способны поглощать лишь 0,5-1% от энергии солнечного света, а установки с высокой эффективностью требуют больше расходов, нежели окисление метана при помощи водного пара - основной способ получения водорода в промышленности. Химики обратили свое внимание на полупроводниковые методы расщепления воды на водород и кислород. Полупроводники в таких катализаторах используются в качестве световых "антенн", которые улавливают свет Солнца и используют его энергию для производства электронов, восстанавливающих водород в молекулах воды. Подобные катализаторы отличаются высокой эффективностью, однако их сверхвысокая стоимость мешает промышленному применению подобных устройств.

Сивула и его коллеги предположили, что конструкцию полупроводниковых катализаторов можно значительно удешевить при помощи самого дешевого полупроводника - обычной ржавчины (Fe2O3). Авторы статьи провели несколько опытов и создали два дешевых катализатора на основе наночастиц из оксидов железа и вольфрама. Катализатор авторов статьи достаточно просто устроен. Его верхний слой состоит из наночастиц оксида железа или вольфрама, смешанных с микрогранулами из кремния. Эта смесь использует энергию солнечного света для производства электронов, которые транспортируются через второй слой - стеклянную пластину - в центр производства водорода, представляющий собой дешевую солнечную батарею из оксида титана и светочувствительной краски.

Когда фотоны света проходят через этот "бутерброд", они поочередно взаимодействуют с частицами оксидов в верхнем и нижнем слое, создавая необходимые электрохимические условия для расщепления молекул воды. По словам ученых, даже относительно неэффективные прототипы их катализатора способны запасать от 1,4 до 3,6% энергии солнечного света в виде молекул воды. Сивула и его коллеги утверждают, что улучшение качества порошка из оксида и эффективности солнечной батареи позволит достичь теоретического максимума производительности для таких устройств - 16% от общей энергии света. Подобной эффективности будет достаточно для конкуренции с традиционными методами получения водорода из водного пара и метана.