Вода как топливо: ученые нашли эффективный способ расщепления воды на водород и кислород - «Новости Электроники»

Разработка недорогого метода создания чистого топлива для современных ученых является, чем-то вроде поисков философского камня для алхимиков прошлого. Но если у последних, судя по ценам на золото, в конечном итоге что-то не заладилось, то первые – добиваются определенных успехов в своих работах. Одним из таких способов может служить применение солнечного света, который расщепляет воду на ее составляющие – водород и кислород, а затем отделять водород и использовать его как топливо. Но процесс расщепления воды не так уж и прост.

Двое ученых из Института молекулярной инженерии (IME) и Висконсинского университета в Мадисоне серьезно продвинулись в деле создания «зеленого» топлива, значительно улучшив эффективность ключевых процессов и предложив несколько концептуально новых инструментов, которые позволят более широко применять технологии расщепления воды с помощью солнечного света. Результаты из работы опубликованы в журнале Nature Communications.

В своем исследовании, специалист в области электронных структур и симуляторов, профессор IME Джулия Галли (Giulia Galli) и профессор химии Кьйонг-Шин Чой (Kyoung-Shin Choi) Висконсинского университета нашли способ увеличить эффективность, с которой расщепляющий воду электрод адсорбирует фотоны света и, в то же время, улучшили поток электронов от одного электрода к другому. Симуляторы позволили им понять, что происходит на атомном уровне.

Создавая электрод, который улавливает световое излучение, ученые стремились использовать как можно больше спектров солнечного света, способных возбудить электроны и преобразовать их в структуру, которая является оптимальной для реакции расщепления. Довольно важным моментом, хотя и свойственным для несколько другой области проблемы, является необходимость обеспечения легкого перемещения электронов между электродами, создающего электрический ток. До сих пор ученым приходилось прибегать к отдельным манипуляциям для улучшения адсорбции фотонов и движения электронов в тестируемых ими материалах.

По теме: Изобретен искусственный лист, использующий солнечный свет для выделения водорода в топливных элементах

Чой со своим коллегой доктором Тэ Ву Ким (Tae Woo Kim) пришли к заключению, что если нагреть электрод, изготовленный из материала на основе ванадата висмута, до 350 градусов Цельсия в азотной среде, некоторые частицы азота войдут в соединение с основным материалом. В результате была улучшена и адсорбция фотонов, и транспортировка электронов, однако, какое влияние на это оказывает азот, оставалось невыясненным. Было решено обратиться к Галли с тем, чтобы пролить свет на вопрос с помощью ее симуляторов.

С помощью тестов Галли обнаружилось, что азот воздействует на электроды несколькими способами. Нагревание в азотной среде способствует выделению атомов кислорода из ванадата висмута, создавая «дефекты», которые улучшают перенос электронов. Но позднее ученые выяснили, что помимо дефектов, перемещению заряженных частиц способствует также и сам азот, понижая порог энергии, необходимой для начала преобразования электрода в ту структуру, которая способна расщеплять воду. Это означает, что электроды могут использовать больше солнечной энергии.

Процессы, в которых теоретики и практики тесно взаимодействуют, являются естественными для науки. Но когда сотрудничество специалистов разных областей возникает на столь раннем этапе – явление, не совсем обычное. Двое ученых «нашли друг друга» с помощью Национального научного фонда и созданного им проекта CCI Solar – инновационного центра, объединяющего специалистов различных научных отраслей в поисках решений для создания технологий расщепления воды.

Читайте также: Фотоэлементы на основе нанотрубок от подводных бактерий сделают солнечные батареи на порядок эффективнее

Источник: phys.org