Система получения водородного топлива

Швейцарские ученые представили очень дешевую и обладающую наибольшим на сегодняшний день КПД преобразования (12,3 процента) систему получения водородного топлива. Новое устройство искусственного фотосинтеза разлагает воду за счет энергии Солнца. Оно включает два солнечных фотоэлемента из перовскита и катализатора (покрытого слоем никеля и железа двойного гидроксида), расположенного на пеноникелевом электроде. Об изобретении сообщает журнал Science. Это издание ранее, в 2013 году, включило минерал в топ-10 прорывов 2013 года, связывая с ним большие надежды на его использование в солнечной энергетике.

Эффективное получение и запасание энергии солнечного света считается самой насущной задачей для экологически чистой энергетики. Однако существующие системы отличаются дороговизной и малым КПД (несколько процентов). Цзиньшань Луо (Jingshan Luo) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги воспользовались дешевыми и в изобилии встречающимися на планете материалами (перовскит, никель, железо). Их системе вообще не требуются редкоземельные металлы. Кроме того, превращение солнечной энергии в водород позволит запасать ее — благодаря этому энергетика перестанет зависеть от капризов погоды.

Установка инженеров состоит из двух электродов, которые соединены с фотоэлементами и помещены в электролит. Работа устройства целиком основывалась на фотовольтаике (электричество на электроды поступало только от фотоэлементов). В своем исследовании ученые руководствовались соображениями максимальной экономии на ресурсах в сочетании с приемлемой производительностью. Использование перовскита в фотоэлементах они объясняют его дешевизной по сравнению с кремнием, используемым в солнечных фотоэлементах. Редкие благородные металлы (прежде всего, рутений и платину), обычно применяемые для изготовления долговечных электродов, специалисты заменили на никель и железо.

«Как только вы получаете водород, его можно хранить в бутылке и делать с ним все, что хотите и когда хотите. Этот газ можно сжигать в двигателе или паровом котле, или отправить в топливную батарею. Уже достигнутый КПД преобразования в 12,3 процента вырастет в самом скором времени», — заявил руководитель Лаборатории фотоники и граничных поверхностей при школе Микаэль Грэтцель (Michael Grätzel).

Такие высокие показатели стали возможны благодаря свойствам фотоэлементов из перовскита: этот минерал дает напряжение холостого хода, превосходящее 1 вольт (для сравнения, кремниевые элементы дают самое большее 0,7 вольта). Для начала электролиза воды необходимо минимум 1,7 вольта: этот показатель обеспечивают два фотоэлемента из перовскита, но как минимум три-четыре кремниевых.

Единственным недостатком системы является ее недолговечность: компоненты устройства разрушаются через несколько часов. Остается дождаться технологического прогресса в области повышения долговечности солнечных элементов из перовскита, пишут ученые.

Перовскит, получивший свое название в честь русского минералога (и министра иностранных дел при Николае I в царской России) Льва Перовского, является широко распространенным в нижней мантии Земли минералом. Там, на глубине от 660 до 2700 километров, на его долю приходится, по разным оценкам, до 80 процентов вещества. Минерал имеет псевдокубическое строение и состоит из кальция, титана и кислорода. В природе минерал чаще всего встречается с различными примесями, например, церия и ниобия, которые замещают кальций в его кристаллической решетке.