На шаг ближе к разработке искусственной фотосинтезирующей системы

07.10.201113140
Солнечный свет, падающий на силиконовые пластины, покрытые специальным катализатором, разлагает молекулы воды на водород и кислород.


Силиконовые пластины, полученные в лаборатории профессора Дэна Носеры (Dan Nocera) из Массачусетского Технологического Института в Кембридже (Massachusetts Institute of Technology), по своим функциям напоминают листья растений. В устройстве использованы силиконовые (кремниевые) фоточувствительные элементы, покрытые катализаторами, что позволяет прибору с помощью энергии солнечного света расщеплять молекулы воды наподобие того, как это делают листья растений во время фотосинтеза. В результате химической реакции образуются два газа – кислород и водород, которые поднимаются на поверхность воды в виде пузырьков на каждой из сторон пластины. Устройство прибора подробно описано в последнем номере журнала Science [1].

Как и при фотосинтезе, пластины переводят солнечную энергию в энергию химических связей: водород – это газ, который возможно передавать по трубам и хранить, используя в дальнейшем для получения энергии. Однако процесс, происходящий в приборе, сильно отличается от природного. Фотосинтез в листе начинается с расщепления молекул воды и не заканчивается при «выдыхании» растением водорода. В листе водород вступает в дальнейшую реакцию с углекислым газом, что в результате приводит к образованию молекул сахара. Носера утверждает, что его концепция поможет получить чистый и дешевый водород из солнечного света и воды. Это, возможно, позволит даже в бедных, но солнечных странах синтезировать топливо в зависимости от потребностей населения. Для коммерциализации своего прибора Носера создал компанию Sun Catalytix. В число ее спонсоров входит транснациональная корпорация Tata Group.

Химик Джеймс Дюррант (James Durrant), занимающийся исследованиями солнечного топлива в Императорском Колледже Лондона (Imperial College London), называет прибор «элегантным». «Однако, - добавляет он, - этот прибор пока не решает проблему превращения солнечной энергии в топливо. Но идея создания искусственного «листа» вдохновляет людей, и это здорово».

Многие исследователи сомневаются в возможности широкого применения прибора. Если потребуется получить большие объемы водорода, то это будет возможно сделать более эффективным способом. Простой альтернативой предложенному методу является применение электроэнергии, генерировать которую стоит дороже, однако эта технология более эффективна по сравнению с расщеплением молекул воды фоточувствительными элементами.

Расщепление воды с помощью солнечных лучей для получения водорода - это «старый трюк». Химики уже давно используют солнечные батареи для того, чтобы выработать электроэнергию, а затем послать ее по проводам к электродам, покрытым катализатором. Эти электроды расщепляют воду, образуя водород. Но в таких устройствах либо используются дорогостоящие катализаторы, например, рутений и платина, либо агрессивная кислая или основная среда, от которой фоточувствительные элементы должны быть отделены или защищены дорогостоящим стеклом [2,3].

Прибор, разработанный Носерой и его коллегами, является первым устройством, в котором одновременно находятся фоточувствительные элементы и катализаторы, соединенные без проводов. Кроме того, этот прибор – первое техническое изобретение, которое работает с такой «мягкой» средой, как водопроводная вода. Носера говорит, что устройство работает также с морской водой. При проведении экспериментов он использовал воду из близлежащей реки.

Создание беспроводной системы является не более чем маркетинговым трюком. Специалисты компании Sun Catalytix надеются, что это позволит получить миниатюрные частицы фоточувствительных элементов, покрытых катализатором. Они будут взвешены в проточной воде в виде суспензии. Результаты анализа, выполненного по заказу Министерства Энергетики США (US Department of Energy), показали, что такие элементы теоретически могут с помощью солнечного света вырабатывать более дешевый водород по сравнению с комплектом фотоэлектрических панелей, подключенных к электродам, покрытым катализатором. Это связано с тем, что панели, защищенные стеклом, стоят очень дорого.

Вся система основана на применении дешевого катализатора, который отделяет электроны от молекулы воды для образования кислорода, протонов и электронов. В 2008 г. Носера опубликовал подробное описание этого процесса [4]. Одна из поверхностей кремниевого фоточувствительного элемента покрыта слоем оксида индия и олова или оксида фтора и олова, что защищает элементы от образующегося кислорода. Катализатор самовосстанавливается после разложения во время химической реакции. Он спонтанно формирует заново свое активное ядро, состоящее из кластеров оксида кобальта. Его структура очень похожа на структуру кластеров оксида марганца, которые образуют комплекс, выделяющий кислород. Этот комплекс представляет собой активный центр фотосистемы так называемого белка-II, который расщепляет молекулы воды в настоящих листьях.

Другая сторона силиконовой пластины покрыта катализатором, состоящим из сплава трех металлов – никеля, молибдена и цинка. Протоны, высвобождаемые в момент разрушения молекулы воды, переходят на эту поверхность, где никель помогает им соединиться с электронами и образовать водород.

Будет ли полезна предложенная система, станет известно после того, как будет установлена себестоимость получаемого водорода, а также от того, насколько эффективно система может использовать имеющуюся солнечную энергию.

В среднем один лист растения превращает только 1% энергии солнечного света в энергию химических связей. Носера говорит, что эффективность работы его прибора составляет 2,5%, а при подключении проводов она возрастает до 4,7%. Большая часть потери энергии происходит из-за полупроводниковых фоточувствительных элементов, а не во время процесса электролиза катализаторов. Но для применения прибора нужна более чем 10%-процентная эффективность.

Носера утверждает, что лабораторные тесты применения прибора с более высоким качеством кремния свидетельствовали о повышении эффективности работы системы. Дополнительно повысить ее эффективность может повышение проводимости окружающего раствора или перфорирование проводника с целью создания маленьких отверстий, через которые могут перетекать протоны.

Трудно отказаться от идеи создания искусственного «листа». «Представьте, что у Вас есть катализатор, который Вы можете бросить в стакан воды на подоконнике и выработать топливо. Можете представить такой мир?», - говорит специалист в области фотосинтеза Джеймс Барбер (James Barber).


Одна поверхность искусственного листа образует водород, другая – кислород.

Оригинальный текст: Richard Van Noorden

По материалам:
NatureNews

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей