Вода как топливо будущего

Известно, что основным препятствием на пути к всемерному внедрению возобновляемых источников энергии (прежде всего энергии солнца) оказываются проблемы накопления этой самой энергии и ее транспортировки. Аккумуляторы недешевы и громоздки, да и при преобразованиях световой энергии в электричество, а затем в механическую энергию неизбежны существенные потери.

И как при этом не вспомнить о процессах фотосинтеза, присущих листьям обычных растений, что позволяют запасать солнечную энергию в виде химических соединений? Разрабатываемые системы искусственного фотосинтеза основываются на процессах фотоэлектрического электролиза воды и во многом аналогичны окислительно-восстановительным батареям и топливным элементам, однако можно пойти дальше и получать более традиционные виды горючего.

Исследователям из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) за два года удалось практически удвоить количество известных соединений, потенциально пригодных для получения «солнечного топлива», которое сможет заменить уголь, нефть и другие ископаемые виды горючего [1].

«Солнечное топливо», элементы которого берутся из природной среды (солнечный свет, вода и углекислый газ — CO2), а после использования обратимо возвращаются туда же, — давняя мечта всех поборников чистой энергии. Ученые давно заняты исследованиями обширного класса химических соединений, потенциально пригодных для применения в таком качестве, — от газообразного водорода до жидких углеводородов, — однако производство любой «горючки» не избавляет от необходимости расщепления молекул воды.

Все мы знаем, что каждая молекула воды содержит в себе атом кислорода и два атома водорода. Если извлечь из воды эти водородные атомы, а затем соединить их попарно в молекулы водорода, то можно получить высокоэффективный горючий газ, который в сочетании с CO2 может дать и жидкие углеводороды — привычные и удобные для транспортировки и хранения. Проблема, однако, в том, что молекулу воды в обычных условиях не так-то просто расщепить под действием одного лишь солнечного света (иначе океан не покрывал бы большую часть поверхности нашей планеты). Помочь могут специальные катализаторы.

Для того, чтобы получить пригодное для практического использования «солнечное топливо», необходимо подбирать недорогие и эффективные соединения, в присутствии которых происходило бы расщепление молекул воды с использованием видимого или ультрафиолетового света в качестве источника энергии.

Новый подход к программируемому синтезу химических соединений — так называемых фотоэлектрокатализаторов (фотоанодов) — позволяет надеяться на появление в ближайшем будущем коммерчески жизнеспособной технологии искусственного фотосинтеза.

За последние четыре десятилетия удалось выявить 16 подобных соединений. И вот теперь, используя новый метод быстрой идентификации получаемых материалов, группа исследователей под руководством Джона Грегуара (John Gregoire) из Калтеха и Джеффри Нитона и Янь Циминя (Jeffrey Neaton and Qimin Yan) из Беркелеевской лаборатории обнаружила еще 12 новых перспективных фотоэлектрокатализаторов (соответствующая статья [2] появилась 6 марта 2017 года в онлайновом выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences — PNAS). Новый метод разработан в рамках партнерства с Объединенным центром искусственного фотосинтеза (Joint Center for Artificial Photosynthesis — JCAP).

«Чрезвычайно важно то, что в этой работе, которая сочетает в себе экспериментальный и теоретический подход и основана на междисциплинарных исследованиях, мы не только пополнили уже известный список за счет идентификации нескольких новых соединений (потенциально пригодных для производства „солнечного топлива“), но и смогли узнать что-то новое о базовой электронной структуре самих материалов», — подчеркнул Джеффри Нитон, возглавляющий подразделение Molecular Foundry.

Если раньше требовались длительные процедуры тестирования каждого отдельного соединения (на предмет использования в конкретных приложениях), то теперь Дж. Грегуар и его коллеги смогли значительно ускорить этот процесс. За счет объединения расчетных и экспериментальных данных в единой базе потенциально интересных соединений они проводят высокопроизводительные компьютерные скрининговые исследования предполагаемых свойств материалов, а затем уже тестируют наиболее перспективных кандидатов с помощью экспериментальных установок с высокой пропускной способностью.

В работе, описанной в PNAS, изучено 174 ванадатов — соединений, содержащих оксиды ванадия вместе с другим элементами периодической таблицы (прежде всего металлами — железом, медью, никелем, висмутом), что позволило выявить новый «плодовитый» класс фотоанодных материалов для производства химического топлива из солнечного света.

«Нашей группе удалось свести воедино возможности теории, моделирование свойств новых соединений на суперкомпьютерах и новые эксперименты, выполняемые с высокой пропускной способностью. Таким образом, мы научились генерировать научные знания с небывалой скоростью», — заключает Джон Грегуар.

Максим Борисов

1. caltech.edu/news/new-materials-could-turn-water-fuel-future-54294

2. http://resolver.caltech.edu/CaltechAUTHORS:20170306-150101767