Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр
alizarВремя на прочтение 2 мин
Количество просмотров72K
Научно-популярное Энергия и элементы питания Нанотехнологии Химия
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).
Теги:
- вода
- электролиз
- восстановление
- водородное топливо
- солнечная энергия
- фотолиз
Хабы:
- Научно-популярное
- Энергия и элементы питания
- Нанотехнологии
- Химия
Всего голосов 26: ↑23 и ↓3 +20
Комментарии 75
Анатолий Ализар @alizar
автор, фрилансер
Telegram
Комментарии Комментарии 75
Российские физики создали необычный метод расщепления воды
https://ria.ru/20170705/1497881082.html
Российские физики создали необычный метод расщепления воды
Российские физики создали необычный метод расщепления воды — РИА Новости, 05.
07.2017
Российские физики создали необычный метод расщепления воды
Ученые из России и США разработали новый катализатор на основе наночастиц, белков бактерий и синтетических аналогов мембраны их клеток, который необычно… РИА Новости, 05.07.2017
2017-07-05T14:47
2017-07-05T14:47
2017-07-05T22:30
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1497881082.jpg?14978769771499283017
долгопрудный
сша
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2017
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, долгопрудный, сша, московский физико-технический институт
Открытия — РИА Наука, Наука, Долгопрудный, США, Московский физико-технический институт
МОСКВА, 5 июл — РИА Новости. Ученые из России и США разработали новый катализатор на основе наночастиц, белков бактерий и синтетических аналогов мембраны их клеток, который необычно эффективно использует энергию света для расщепления воды на водород и кислород, говорится в статье, опубликованной в журнале ACS Nano.
Ученые создали окна, способные извлекать «зеленое» топливо из воздуха
14 июня 2017, 15:47
За последние годы физики создали множество расщепителей воды, которые разлагают молекулы воды на кислород и водород при помощи света или электрического тока и наиболее удачные версии которых только приближаются к коммерческой рентабельности. Кроме того, подобные катализаторы в большинстве случаев или разрушаются, или загрязняются при расщеплении воды, что вынуждает ученых разрабатывать далеко не бесплатные методики их регенерации.
Физики создали солнечные батареи, преобразующие СО2 в топливо
28 июля 2016, 21:00
Чупин и его коллеги нашли необычный способ повысить эффективность работы подобных катализаторов, объединив их с двумя компонентами живого мира — аналогами мембран бактерий, которые сегодня разрабатываются в МФТИ для изучения устройства белков, и белками-родопсинами. Микробы вида Halobacterium salinarum используют эти молекулы в качестве «глаз» и преобразователя энергии света в клеточную энерговалюту, молекулы АТФ.
Как показали эксперименты, которые в недавнем прошлом проводили американские коллеги российских ученых, сочетание этих белков с наночастицами оксида титана, одного из самых эффективных расщепителей воды, заметно повышает их продуктивность. Проблема заключалась в том, что и родопсины, и наночастицы должны располагаться относительно друг друга в определенном порядке, чего крайне сложно добиться, просто перемешав молекулы белков и частички катализатора.
Эту проблему, как оказалось, можно решить при помощи нанодисков, созданных учеными из МФТИ. Как поясняет Чупин, молекулы родопсинов встроены в них уже в «правильном» виде, что облегчает задачу их соединения с частицами двуокиси титана и платины, дополнительно повышающей КПД катализатора.
Ученые создали наноматериал, вырабатывающий спирт из воздуха
13 октября 2016, 12:45
Наблюдения за работой подобного биоустройства показали, что бактериальные белки не только помогали наночастицам улавливать энергию света и использовать ее для расщепления молекул воды, но и участвовали в переносе ионов внутри раствора, ускоряя процесс производства водорода.
Главным недостатком этой системы является то, что для ее работы нужен источник свободных электронов. Пока в этой роли выступает метиловый спирт, который можно производить из полностью натуральных источников, не используя ископаемые углеводороды.
В будущем, надеются исследователи, все компоненты этого расщепителя воды, в том числе и наночастицы, можно будет разместить внутри синтетического организма или биоконструкции, что повысит его эффективность и сделает производство «зеленого» топлива экономически выгодным.
Двухфотонное расщепление воды видимым светом на молекулярном комплексе рутения
Принадлежности автора
* Соответствующие авторы
и Leibniz-Institut für Katalyse e.
V., Albert-Einstein-Str. 29a, Росток 18059, Германия
Электронная почта: [email protected]
б Институт физики и кафедра жизни, света и материи Ростокского университета, 18051 Росток, Германия
Аннотация
Расщепление воды с образованием молекулярного кислорода и водорода или соответствующих протонов и электронов представляет собой фундаментальный четырехэлектронный окислительно-восстановительный процесс, который лежит в основе фотосинтеза и является многообещающим подходом к преобразованию солнечной энергии в химическую.
Системы искусственного разделения воды боролись с управлением кинетически сложным поглощением четырех фотонов, а также с трудным использованием видимого света. Основываясь на подробном кинетическом, спектроскопическом и компьютерном исследовании рутениевого комплекса Мильштейна, мы сообщаем о новой механистической парадигме расщепления воды, которая требует всего два фотона и предлагает новый метод расширения диапазона используемых длин волн далеко в видимую область. Мы показываем, что двухфотонное расщепление воды возможно за счет поглощения первого фотона с более короткой длиной волны, что приводит к образованию промежуточного продукта, способного поглощать второй фотон с более длинной длиной волны (до 630 нм). Затем второе поглощение вызывает образование связи O–O и высвобождение O 2 . Теоретическое моделирование показывает, что двухфотонное расщепление воды может быть использовано для достижения максимальной эффективности преобразования солнечной энергии в водород в 18,8%, которая может быть дополнительно увеличена до 28,6% за счет фотохимического вместо теплового высвобождения.
Таким образом, можно превысить максимальную эффективность систем с двумя абсорберами, при этом требуется только один катализатор. Благодаря более низкой кинетической сложности, собственному использованию широкого диапазона длин волн и высокопроизводительному потенциалу, мы считаем, что этот механизм вдохновит на разработку нового класса систем расщепления воды, которые выходят за рамки реакционной схемы фотосинтеза.
- Эта статья является частью тематического сборника: Последние статьи в открытом доступе
Новый метод внедрения эффективного расщепления воды для производства водорода при низком напряжении — ScienceDaily
Оксиды металлов являются многообещающим катализатором фотоэлектрохимического (PEC) расщепления воды для производства водорода в качестве альтернативной энергии. Однако их эффективность ограничена при низком напряжении.
Исследовательская группа, возглавляемая учеными из Городского университета Гонконга (CityU), Австралии и Германии, успешно урегулировала плохой перенос носителей заряда при низком напряжении путем добавления фосфора в катализатор на основе оксида металла, что снизило потери энергии при расщеплении воды. Полученные данные предлагают потенциальный вариант достижения углеродной нейтральности.
Исследование проводилось совместно профессором Нг Юн-хау из Школы энергетики и окружающей среды CityU (SEE) и исследователями из Австралии и Германии. Их результаты были опубликованы в научном журнале Nature Communications под названием «Фотоэлектрохимическое расщепление воды с низким смещением с помощью промежуточных состояний ловушки и малых скачков полярона».
Ванадат висмута (BiVO 4 ) представляет собой полупроводник на основе оксида металла, который чувствителен как к ультрафиолетовому, так и к видимому свету и считается наиболее эффективным фотокатализатором для расщепления воды из ПЭК.
«В процессе расщепления воды PEC из воды получают водород и кислород с использованием солнечного света и специализированных полупроводников в качестве фотокатализаторов, таких как BiVO 9.0043 4 . С помощью световой энергии и дополнительного источника небольшого напряжения фотокатализаторы непосредственно диссоциируют молекулы воды на водород и кислород, — объясняет доктор Нг, эксперт по исследованиям PEC. возбужденные носители заряда не могут быть эффективно извлечены, что приводит к потерям энергии и влияет на эффективность разделения воды. Этот плохой перенос заряда обусловлен главным образом ловушечными состояниями носителей заряда и образованием малых поляронов».0023
Собственные дефекты и образование поляронов препятствуют переносу носителей заряда
При солнечной энергии электроны в полупроводнике возбуждаются и могут отскакивать вверх и пересекать запрещенную зону из валентной зоны в зону проводимости, создавая электрический ток . Но собственные дефекты полупроводника вводят «состояния-ловушки», которые захватывают фотоиндуцированные электроны и положительно заряженные дырки до тех пор, пока они не рекомбинируют, не позволяя им свободно двигаться и превращаться в электрический ток.
Более того, когда электрон возбуждается внутри полупроводника, его заряд может вызывать расширение решетки, удерживая электрон внутри единицы решетки и образуя небольшой полярон, который можно рассматривать как состояние глубокой ловушки, которое сильно захватывает электрон. Для перехода с одного места на другое требуется энергия тепловых колебаний (известная как энергия активации прыжков полярона). Следовательно, образование небольших поляронов оказывает вредное влияние на подвижность заряда, что характерно для оксидов переходных металлов.
Исследовательская группа взялась за эту задачу, чтобы найти способы повысить подвижность заряда. Они обнаружили, что при модификации фотоанодов BiVO 4 легированием фосфором подвижность заряда в 2,8 раза выше, чем у исходного. Это также значительно увеличило эффективность разделения заряда, до 80% при 0,6 В, что примерно в 1,43 раза сильнее, чем у исходного, и до 99% при 1,0 В.
Доктор Ву Хао, первый автор статьи, затем постдоктор в группе профессора Нг, а ныне доцент Института материаловедения и инженерии Макао Университета науки и технологии Макао, поделился одним из основных моментов доклада.
исследование: «Мы обнаружили, что барьеры активации прыжков полярона BiVO 4 фотоанода были восстановлены при включении фосфора. Это было доказано нашими совместными теоретическими и экспериментальными исследованиями». увеличение фотоэдс разомкнутой цепи для расщепления молекул воды
Они показали, что перенос заряда в легированном фосфором BiVO 4 был улучшен за счет одновременного опосредования барьера прыжка полярона и состояния ловушки, что позволило ввести эффективное расщепление воды PEC для производства водорода при низком напряжении. Синергетические эффекты позволили легированному фосфором BiVO 4 продемонстрировать рекордно высокую эффективность преобразования фотонов в ток 2,21% при 0,6 В.
«Мы надеемся, что механистическое понимание улучшения свойств BiVO 4 даст ключевое представление о пассивации состояния ловушки и прыжках поляронов для многих фотоактивных оксидов металлов и, что более важно, предложит потенциальный вариант эффективного производства водорода, чтобы помочь достичь углеродная нейтральность», — сказал профессор Нг.
