Чиста енергия: делене на водата със слънчева светлина

Делене на водата, захранвано от слънчева светлина може да се превърне в обещаващо средство за генериране на чиста и съхраняема енергия. Учени създадоха нов катализатор, базиран на полупроводникови наночастици, улесняващ всички реакции, необходими за „изкуствена фотосинтеза“.

В светлината на глобалното изменение на климата съществува спешна необходимост от разработване на ефективни начини за получаване и съхранение на енергия от възобновяеми енергийни източници. Фотокаталитичното разделяне на водата на водородно гориво и кислород осигурява особено атрактивен подход към този проблем. Ефективното прилагане на процеса, който имитира биологична фотосинтеза обаче, си остава техническо предизвикателство, тъй като включва комбинация от процеси, които могат да се намесват и да си пречат.

Сега физиците от LMU (Ludwig-Maximilians Universitat Munchen), ръководени от д-р Яцек Столарчик и професор Йохен Фелдман, в сътрудничество с химици от Университета във Вюрцбург, ръководени от проф. Франк Вюртнер, успяват да демонстрират за първи път пълното разделяне на молекулите на водата с помощта на катализатор система „всичко в едно“. Тяхното ново проучване е публикувано в списанието Nature Energy.

Техническите методи за фотокаталитичното разделяне на водните молекули използват синтетични компоненти, за да имитират сложните процеси, които се осъществяват по време на естествената фотосинтеза.

В такива системи, полупроводникови наночастици, които абсорбират светлинните кванти (фотони), по принцип могат да служат като фото катализатори. Абсорбцията на фотона генерира отрицателно заредени частици (електрони) и положително заредени видове, известни като „дупки“, и двете трябва да бъдат разделени пространствено така, че водната молекула да може да бъде редуцирана до водород от електрона и окислена от дупката за образуване на кислород.

Във физиката, химията и електронното инженерство електронната дупка (често наричана просто дупка) е липсата на електрон в положение, в което може да съществува в атом или атомна решетка. Тъй като в нормален атом или кристална решетка отрицателния заряд на електроните се балансира от положителния заряд на атомните ядра, отсъствието на електрон остава нетен положителен заряд в мястото на дупката.

„Ако човек иска само да генерира водороден газ от водата, дупките обикновено се отстраняват бързо чрез добавяне на химически реактиви“, казва Столарчик. „Но за да се постигне пълно разделяне на водата, дупките трябва да бъдат задържани в системата, за да задвижват бавния процес на окисляване на водата.“

Проблемът се състои в това, че двете половинки реакции се осъществяват едновременно върху отделни частици, като същевременно се гарантира, че обратно заредените видове не се рекомбинират. В допълнение, много полупроводници могат да бъдат окислени сами и по този начин унищожени от положително заредените дупки.

„Разрешихме проблема, като използвахме нанороди от полупроводников материал кадмиев сулфат и пространствено отделихме площите, на които се появиха окислителните и редукционните реакции върху тези нанокристали“, обяснява Столарчик. Изследователите „украсяват“ върховете на нанородите с малки частици платина, които действат като приемници за електроните, възбудени от абсорбцията на светлина.

Както вече беше показано от групата в LMU, тази конфигурация осигурява ефективен фотокаталист за редуциране на водата до водород. Окислителната реакция, от друга страна, се извършва отстрани на нанорода. За тази цел изследователите на LMU прикрепят към страничните повърхности катализатор за окисляване на основата на рутения, разработен от екипа на Вюртнер. Съединението е оборудвано с функционални групи, които го закрепват към нанорода.

„Тези групи осигуряват изключително бърз транспорт на дупки в катализатора, което улеснява ефективното генериране на кислород и минимизира увреждането на нанородите“, казва д-р Питър Фришан, един от инициаторите на проекта във Вюрцбург.

Проучването е било проведено в рамките на интердисциплинарния проект „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTech), финансиран от правителството на Бавария.

„Мисията на SolTech е да изследва иновативни концепции за превръщането на слънчевата енергия в неизкопаеми горива“, казва професор Йохен Фелдман от катедра „Фотоника и ортоелектроника“ в LMU.

„Разработването на новата фотокаталитична система е добър пример за това как SolTech обединява експертните познания, налични в различни дисциплини и на различни места. Проектът не би могъл да успее без интердисциплинарното сътрудничество между химици и физици в две институции“, добавя Вюртнер, който заедно с Фелдман инициира проекта SolTech, стартирал през 2012 г.

Публикувано в sciencedaily.com