Учени изобретиха технология за производство на водород „на поискване“, използвайки специален химически разтвор за съхранение на енергия от слънчевата светлина, която после се преобразува във водород.
Водородът, най-лекият елемент в периодичната таблица, е майстор в измъкването от почти всеки контейнер, в който се съхранява. Изключително малкият размер на молекулата му позволява да се промъква през атомни пролуки в материалите за съхранение, което е един от основните проблеми, възпрепятстващи масовизирането на водородната енергия.
Екип от китайски изследователи е решил проблема със задържането на водорода чрез…. производство на водород „на поискване“. Учените са разработили проста химическа система, съдържаща амониев метаволфрамат (W12) и графитен въглероден нитрид (g-C3N4) в течна суспензия. Тази система улавя слънчевата енергия и вместо да я преобразува в електричество, я използва за производство на водородно гориво „на поискване“ – дори в тъмнина.
Системата осигурява двойно предимство: тя прави слънчевата енергия достъпна дори когато слънцето не грее и елиминира необходимостта от транспортиране на водород в резервоари под високо налягане, което може да е опасно.
Според откритията, публикувани в Advanced Materials, технологията е постигнала впечатляващи скорости на производство на водород, генерирайки 3220 µmol g−1 h−1 в тъмнина и 954 µmol g−1 h−1 под естествена слънчева светлина на открито. И двете са впечатляващи цифри в сравнение с продукцията на подобни тъмни фотокаталитични системи.
Идеята за системата идва от растителния свят. Растенията разделят реакциите, предизвикани от светлината, и реакциите, предизвикани от тъмнината, като първо улавят енергия от слънчевата светлина, а след това използват тази съхранена енергия, за да захранват химични процеси при отсъствието на слънце.
Вдъхновени от тази стратегия, учените работили за изграждане на изкуствени фотосинтезни системи, които имитират подхода на растителния свят, с надеждата да създадат по-екологичен начин за производство на водород от слънчева енергия, който може да продължава да работи дори след залез слънце.
Ключов герой в технологията са полиоксометалатите (POM), клас метално-кислородни клъстери, известни със способността си да съхраняват и освобождават множество електрони, което ги прави обещаващ кандидат за подхода. Досега само шепа фотокаталитични системи, базирани на POM, са успявали да произведат водород без светлина – и повечето разчитат на сложни, трудни за изграждане каталитични установки, които често изискват външен електрически вход.
Изследователите в новото проучване са се заели с този проблем, като са интегрирали графитен въглеродно-нитриден полупроводник с POM, амониев метаволфрамат, в метанолов разтвор. Това е довело до формиране на суспензия, която може да поддържа както светлата фаза за улавяне на енергия, така и тъмната фаза за захранване на химични реакции и освобождаване на водород.
Когато е изложена на слънчева светлина, течната система абсорбира светлина чрез графитно-въглеродния нитрид, „събирачът на светлина“. Този процес задейства производството на електрони и образуваните електрони намират пътя си към волфрамовия POM, който действа като среда за съхранение на електроните. Видима промяна в цвета на разтвора от бледожълт към син сигнализира, че енергията е натрупана.
Уловената енергия остава безопасно съхранена, докато не се наложи да се използва водорода като гориво. Когато се изисква производство на водород „на поискване“, екипът въвежда катализатор на основата на платина, който освобождава съхранените електрони и задейства химичните реакции, които произвеждат водороден газ.
Екипът е постигнал отлични нива на производство на водород както при тъмни условия, така и при естествена слънчева светлина. По-нататъшният анализ на механизма показа, че двата избрани материала имат перфектно енергийно съответствие и, когато влязат в контакт, те създават вътрешно електрическо поле, което позволява пренос на електрони с рекордни скорости – това също така усилва производството на водород в тъмната фаза.
Изследователите смятат, че новата система е демонстрирала способността си надеждно да произвежда водород при всякакви метеорологични условия и показва силен потенциал за практическо приложение в голям мащаб.
С по-нататъшно развитие този подход би могъл да позволи безопасно производство на водород в райони с изобилно слънцегреене и доставянето му до енергийно бедни райони, без да се разчита на опасно съхранение под високо налягане.
