В Германии создали вещество, эффективно расщепляющее воду на водород и кислород — Наука
ТАСС, 3 октября. Немецкие исследователи разработали синтетический фермент, способный захватывать молекулы воды и расщеплять их на водород и кислород столь же эффективно, как это делают фотосинтезирующие белки растений. Создание этого вещества ускорит переход на водородную энергетику. Работа опубликована в Nature Catalysis. О результатах сообщила в понедельник пресс-служба Вюрцбургского университета.
«Этот успех стал возможным после того, как наш аспирант Никлас Нолль выяснил, как можно разместить искусственный «карман» рядом с ранее созданным нами катализатором на базе рутения. Когда молекула воды попадает в этот «карман», она размещается в определенной позиции относительно атомов рутения, что ускоряет транспортировку электронов и делает этот процесс похожим на то, что происходит в белках растений», — заявил профессор Вюрцбургского университета (Германия) Франк Вюртнер, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
За последние два десятилетия физики разработали большое число катализаторов или установок по расщеплению воды, способных расщеплять молекулы влаги на кислород и водород при помощи света или электричества. Пока такие системы далеки от практического использования, чем мешает как высокая себестоимость производства водорода и кислорода, так и низкая долговечность их компонентов.
С другой стороны, этот процесс был полностью освоен предками цианобактерий и растений еще несколько сотен миллионов лет назад, когда они выработали набор белков, позволяющий им поглощать частицы света и использовать их энергию для расщепления воды и производства питательных веществ. Ученые уже долгое время пытаются повторить этот процесс и создать первые «зеленые» расщепители воды.
Энергоэффективное расщепление воды
Профессор Вюртнер и его коллеги уже много лет работают над воспроизведением работы фотосистемы-II, той части процесса фотосинтеза, которая непосредственно связана с разложением воды.
Несколько лет назад им удалось создать сложную химическую систему из нескольких различных молекул на базе ионов рутения и органических веществ, которая была способна разлагать молекулы воды.
Это натолкнуло ученых на мысль, что они могут использовать рутений для создания полноценного искусственного фермента, расщепляющего воду на кислород и водород. Для этого, однако, исследователям нужно было создать новый каталитический центр, который бы исполнял все функции, которые в их прошлой разработке возлагались на несколько независимых друг от друга молекул.
Руководствуясь этой идеей, ученые изучили то, как органические молекулы, окружающие атомы рутения, влияют на характер взаимодействий между водой и центром катализатора. Эти опыты помогли химикам подобрать такую трехмерную форму «оболочки», окружающей ионы рутения, которая «мешала» молекуле воды занять неоптимальное положение, что максимизировало шансы на ее расщепление.
Впоследствии профессор Вюртнер и его коллеги синтезировали две разных формы этого катализатора, а также детально изучили их структуру и работу на практике.
Эти опыты показали, что синтетический фермент действительно способен активно расщеплять воду столь же быстро, как это делает фотосистема-II. В ближайшее время ученые планируют использовать этот фермент для создания экспериментальной установки, расщепляющей воду при помощи энергии света.
3DNews Технологии и рынок IT. Новости окружающая среда Японцы создали эффективный катализатор д… Самое интересное в обзорах 22.07.2021 [10:35], Геннадий Детинич Добыча «зелёного» водорода с помощью солнечной энергии — это очень неэффективное занятие. Сначала электричество добывается панелями с низким КПД, а затем производится электролиз воды, что ещё сильнее снижает эффективность добычи. Учёные стремятся пропустить этап получения энергии и мечтают сразу превратить воду в водород и кислород, для чего нужны правильные катализаторы. Источник изображения: MASASHI KATO/NAYOGA INSTITUTE OF TECHNOLOGY Для расщепления воды на водород и кислород группа японских исследователей создала двухэлектродный фотоэлектрический катализатор с очень большой продолжительностью срока службы. Создаваемые сегодня в лабораториях фотоэлектрохимические катализаторы остаются работоспособными не больше одной недели. Японская разработка расщепляет воду на водород и кислород непрерывно в течение 100 дней, что может считаться рекордом по эффективности. Для автономных необслуживаемых систем в отдалённых районах — это важнейшее свойство. Впрочем, КПД катализаторов остаётся очень низким — на уровне 0,74 %. Большинство технологий по преобразованию солнечной энергии в «зелёный» водород работают с эффективностью 1–2 %. В Министерстве энергетики США считают, что солнечные установки по добыче «зелёного» водорода выйдут на коммерческий уровень при достижении КПД 5–10 %. Поэтому учёным и промышленности есть к чему стремиться. Идея разработки японцев заключается в том, что анод делается полупрозрачным и лежащий ниже катод также использует свет для фотоэлектрохимической реакции. Анод изготавливается из диоксида титана (TiO2) — популярного сырья для производства белой краски, а катод делают из карбида кремния (SiC). Анод реагирует на ультрафиолетовый свет, а катод — на видимый. При этом на электроды подаётся определённое напряжение, чтобы запустить и поддерживать реакцию расщепления. Электроды опускаются в воду (очевидно, они должны быть едва покрыты водой), к ним подводится ток, а всё остальное делает падающий на катализаторы солнечный свет — очень простая схема. Разработчики говорят, что проблема с низким КПД лежит в плоскости низкой эффективности диоксида титана. На следующем этапе учёные планируют найти замену этому материалу, чтобы к долговечности катализаторов добавить повышенный КПД. Добавим, это не единственная перспективная разработка для добычи водорода с помощью солнечного света. Совместная работа итальянских и израильских учёных, например, привела к созданию катализаторов из полупроводниковых наностержней с покрытием из платиновых наносфер. КПД нанокатализаторов приблизился к 4 %. В 2019 году бельгийская исследовательская группа из KU Leuven сообщила о прототипе солнечной панели, которая поглощает влагу из воздуха и расщепляет её на водород и кислород с 15-процентной эффективностью. Есть и другие интересные разработки, что в итоге приведёт к желаемому результату — миру, где дышать станет чуточку легче. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1044872/yapontsi-sozdali-effektivniy-katalizator-dlya-dobichi-vodoroda-iz-vodi-s-pomoshchyu-solnechnogo-sveta Рубрики: Новости Hardware, блоки питания, адаптеры, источники питания, на острие науки, окружающая среда, Теги: возобновляемая энергия, водород, учёные ← В прошлое В будущее → |
И такие почти научились делать в Японии.
Нанокремний быстро расщепляет воду без света, тепла и электричества
Иллюстрация междисциплинарного подхода к производству водорода путем окисления кремния.
(Phys.org). Хотя ученым известно, что при смешивании кремния с водой в результате окисления образуется водород, никто не ожидал, насколько быстро кремниевые наночастицы смогут выполнить эту задачу. Как показало новое исследование, наночастицы кремния размером 10 нм могут генерировать водород в 150 раз быстрее, чем наночастицы кремния размером 100 нм, и в 1000 раз быстрее, чем объемный кремний. Открытие может проложить путь к быстрым технологиям генерации водорода «просто добавь воды» для портативных устройств без необходимости в свете, тепле или электричестве.
Исследователи Фоларин Эрогбогбо из Университета Буффало и соавторы опубликовали свою статью об использовании нанокремния для производства водорода в недавнем выпуске Nano Letters .
Если водород когда-либо будет использоваться для производства энергии для широкого коммерческого применения, одним из требований является поиск быстрого и недорогого способа производства водорода. Одним из наиболее распространенных способов получения водорода является расщепление воды на водород и кислород. Существует несколько способов расщепления воды, например, с помощью электрического тока (электролиз), нагревания, солнечного света или вещества, химически вступающего в реакцию с водой. К таким веществам относятся алюминий, цинк и кремний.
Как объяснили ученые, реакции окисления кремния и воды до сих пор были медленными и неконкурентоспособными по сравнению с другими методами расщепления воды. Тем не менее, у кремния есть некоторые теоретические преимущества, такие как распространенность, простота транспортировки и высокая плотность энергии. Далее, при окислении водой кремний теоретически может выделять два моля водорода на моль кремния, или 14% от собственной массы в водороде.
По этим причинам ученые решили более внимательно изучить кремний, а именно наночастицы кремния, которые ранее не изучались для получения водорода. Поскольку наночастицы кремния имеют большую площадь поверхности, чем более крупные частицы или объемный кремний, можно было бы ожидать, что наночастицы могут генерировать водород быстрее, чем более крупные кусочки кремния.
Но улучшения, обнаруженные учеными с помощью кремниевых наночастиц, намного превзошли их ожидания. Реакция частиц кремния размером 10 нм с водой произвела в общей сложности 2,58 моля водорода на моль кремния (даже превысив теоретические ожидания), при этом для получения 1 ммоль водорода потребовалось 5 секунд. Для сравнения, реакция с частицами кремния размером 100 нм дает в общей сложности 1,25 моля водорода на моль кремния, при этом на получение каждого ммоль водорода уходит 811 секунд. Для объемного кремния общее производство составляло всего 1,03 моль водорода на моль кремния, при этом на производство каждого ммоль водорода уходило полных 12,5 часов.
«Я считаю, что величайшее значение этой работы — демонстрация того, что кремний может реагировать с водой достаточно быстро, чтобы иметь практическое применение для производства водорода по запросу», — соавтор Марк Суихарт, профессор химической и биологической инженерии в Университете Буффало. , сообщил Phys.org . «Этот результат был как неожиданным, так и потенциально важным с практической точки зрения. Хотя я не верю, что окисление наночастиц кремния станет реальным методом для крупномасштабного производства водорода в ближайшее время, этот процесс может быть весьма интересен для небольших портативных приложений, где вода есть».
Авторы и права: Фоларин Эрогбогбо и др. ©2013 Американское химическое обществоВ дополнение к тому, что водород производится быстрее, чем более крупные кусочки кремния, 10-нм кремний также производит водород значительно быстрее, чем наночастицы алюминия и цинка. Как объяснил Суихарт, объяснение этого неравенства для двух материалов различается.
«По сравнению с алюминием кремний реагирует быстрее, потому что алюминий образует более плотный и прочный оксид (Al 2 O 3 ) на своей поверхности, что ограничивает реакцию», — сказал он. «В присутствии основания, такого как KOH [гидроксид калия], кремний в основном образует растворимую кремниевую кислоту (Si(OH) 4 ). По сравнению с цинком кремний просто более реакционноспособен, особенно при комнатной температуре».
Хотя большая площадь поверхности 10-нанометрового кремния по сравнению с более крупными кусочками кремния способствует высокой скорости производства водорода, одна только площадь поверхности не может объяснить огромное увеличение скорости, наблюдаемое учеными.
Площадь поверхности 10-нм кремния составляет 204 м 2 /г, что примерно в 6 раз превышает площадь поверхности 100-нм кремния, которая составляет 32 м 2 /г.
Чтобы понять, что вызывает гораздо большее увеличение скорости производства водорода, исследователи провели эксперименты в процессе травления кремния. Они обнаружили, что для частиц размером 10 нм травление включает удаление равного числа плоскостей решетки в каждом направлении (изотропное травление). Напротив, для частиц и микрочастиц размером 100 нм удаляется неравное количество плоскостей решетки в каждом направлении (анизотропное травление).
Исследователи связывают эту разницу в травлении с разной геометрией кристаллов разного размера. В результате этой разницы более крупные частицы принимают несферическую форму, которая обнажает менее реактивные поверхности по сравнению с более мелкими частицами, которые остаются почти сферическими, обнажая все грани кристалла для реакции. Более крупные частицы также образуют более толстые слои побочных продуктов окисления кремния, через которые должна диффундировать вода.
Оба эти фактора ограничивают скорость реакции на более крупных частицах.
Чтобы подтвердить, что 10-нм реакция кремний-вода генерирует водород без побочных продуктов, которые могли бы помешать приложениям, исследователи использовали водород, генерируемый кремнием, для работы топливного элемента. Топливный элемент работал очень хорошо, производя больше тока и напряжения, чем теоретическое количество чистого водорода, что связано с тем, что 10-нм частицы генерировали больше водорода, чем теоретические 14 мас.%.
Исследователи надеются, что эта удивительная способность кремниевых наночастиц быстро расщеплять воду и генерировать водород может привести к разработке технологии получения водорода по требованию, которая позволит использовать топливные элементы в портативных устройствах. Эта технология потребует крупномасштабного энергоэффективного метода производства кремниевых наночастиц, но может иметь некоторые преимущества по сравнению с другими методами производства водорода.
«Ключевым преимуществом окисления кремния для производства водорода является его простота», — сказал Суихарт. «При таком подходе водород производится быстро, при комнатной температуре и без необходимости в каком-либо внешнем источнике энергии. Энергия, необходимая для производства водорода, эффективно хранится в кремнии. Вся энергия, необходимая для производства кремния, может быть обеспечена. в центральном месте, а затем кремний можно использовать в портативных устройствах.
«Ключевым недостатком окисления кремния является его относительная неэффективность. Энергозатраты, необходимые для создания наночастиц кремния, намного превышают энергию, доступную из водорода, который в конечном итоге производится. Для крупномасштабных приложений это будет проблемой. Для портативных приложений это не так. Например, стоимость электроэнергии от обычной бытовой батареи легко может быть в 10-100 раз выше, чем стоимость электроэнергии от коммунального предприятия, но батареи по-прежнему играют важную роль в нашей жизни».
0003
В будущем исследователи планируют еще больше увеличить мощность производства водорода при окислении кремния, экспериментируя с различными смесями.
«Одним из направлений, которым мы сейчас занимаемся, является использование смесей наночастиц кремния с гидридами металлов, которые также реагируют с водой с образованием водорода», — сказал Суихарт. «Такие соединения, как гидрид лития и гидрид натрия, реагируют с водой с образованием основания (LiOH или NaOH), необходимого для катализа окисления кремния. Однако они могут слишком быстро реагировать с водой (взрывоопасно) и нестабильны на воздухе. Смешивание их с кремниевыми наночастицами или покрытие их кремниевыми наночастицами может служить как для сдерживания их реакционной способности, так и для увеличения способности системы генерировать водород за счет замены добавленного основания (например, KOH в опубликованной статье) материалом, который также генерирует водород».
Дополнительная информация: Фоларин Эрогбогбо и др.
«Производство водорода по требованию с использованием нанокремния: расщепление воды без света, тепла или электричества». Нанобуквы . DOI: 10.1021/nl304680w
Copyright 2013 Phys.org
Все права защищены. Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать или распространять полностью или частично без письменного разрешения Phys.org.
Цитата : Нанокремний быстро расщепляет воду без света, тепла и электричества (2013, 24 января) получено 3 ноября 2022 г. с https://phys.org/news/2013-01-nanosilicon-rapidly-electricity.html
Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.
Расщепление воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность — ScienceDaily
Новости науки
от исследовательских организаций
- Дата:
- 3 июня 2020 г.
- Источник:
- Университет Шиншу
- Резюме:
- Ученые успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть почти без потерь и нежелательных побочных реакций. Этот последний прорыв в производстве солнечного водорода делает вероятность масштабируемого и экономически жизнеспособного производства водорода более чем вероятным, прокладывая путь человечеству к переходу на чистую энергию.
- Поделиться:
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Налейте себе стакан воды и взгляните на него. Эта вода содержит обильный источник топлива, водород. Водород сгорает чисто, в отличие от энергетических продуктов на основе бензина. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Ученые в Японии успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть почти без потерь и нежелательных побочных реакций.
Этот последний прорыв в производстве солнечного водорода делает вероятность масштабируемого и экономически жизнеспособного производства водорода более чем вероятным, прокладывая путь человечеству к переходу на чистую энергию.
реклама
Расщепление воды с использованием катализаторов и солнечного света, называемое фотокатализом, десятилетиями было многообещающим методом получения солнечного водорода. Однако большинство предыдущих попыток давали только внешнюю квантовую эффективность менее примерно 50%, что представляет собой сложность разработки эффективного катализатора для реального использования. Катализатор нужно было разработать лучше, чтобы каждый поглощенный фотон от источника света использовался для производства водорода. Ключом к повышению эффективности было стратегическое размещение сокатализаторов и предотвращение дефектов в полупроводнике.
Опубликовано в выпуске Nature от 27 мая, Tsuyoshi Takata of Shinshu University et al. открыла новые горизонты в производстве электроэнергии, используя титанат стронция, легированный алюминием, в качестве фотокатализатора, свойства которого были тщательно изучены и, следовательно, лучше всего изучены.
Они выбирают сокатализаторы родий для водорода с оксидом хрома и оксид кобальта для кислорода, настраивая их так, чтобы они участвовали только в желаемых реакциях. Этот метод позволил избежать рекомбинационных потерь в реакции.
Эти новые открытия открывают двери для создания масштабируемого и экономически жизнеспособного производства солнечного водорода. Их стратегии проектирования позволили уменьшить дефекты, что привело к почти идеальной эффективности, и полученные знания будут применяться к другим материалам с интенсивным поглощением видимого света. Необходима дополнительная работа, прежде чем мы сможем запускать наши автомобили на водороде, потому что это исследование было сосредоточено на использовании ультрафиолетового света, а обильный видимый свет от солнца остался неиспользованным. Однако этот великий прорыв сделал эту возможность уже не слишком хорошей, чтобы быть правдой, но в теории это всего лишь вопрос времени. Надеемся, что это побудит ученых, исследователей и инженеров заняться этой областью, что значительно приблизит использование солнечной водородной энергии.
изменить ситуацию: спонсируемая возможность
История Источник:
Материалы предоставлены Университетом Синсю . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Справочник журнала :
- Цуёси Таката, Цзюньчжэ Цзян, Ёсихиса Саката, Мамико Накабаяси, Наоя Сибата, Викас Нандал, Казухико Секи, Такаши Хисатоми, Казунари Домен. Фотокаталитическое расщепление воды с квантовой эффективностью почти единица . Природа , 2020; 581 (7809): 411 DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9
Цитировать эту страницу :
- MLA
- АПА
- Чикаго
Университет Синсю. «Солнечное производство водорода: разделение воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность». ScienceDaily. ScienceDaily, 3 июня 2020 г.
