Новая разработка конвертирует солнечную энергию в водород

Когда разговор заходит об источниках возобновляемой энергии, то большинство сразу понимают, что речь заходит о Солнце, так как именно оно является первичным источником, а все остальные виды энергии, такие как ветер или биомасса, являются уже производными. Однако в случае с солнечной энергией появляются свои трудности, так как она довольно легко конвертируется в тепло или электричество, которые сложно использовать для таких целей, как например транспорт. Именно данный момент и вынуждает обращаться к альтернативным источникам энергии, таким как та же биомасса, которая может генерировать энергию в любой заданный момент времени.

Именно эти проблемы привели к появлению системы генерации экологически чистой энергии, описанной в последнем номере научного журнала Science. Авторы статьи говорят о создании устройства, способного использовать солнечную энергию и применять ее для прямого химического разделения чистой воды на водород и кислород. Такую же операцию система может проводить и с углекислым газом, преобразуя его в угарный газ и кислород. Лучше всего то, что ей не нужен какой-либо внешний катализатор для проведения реакции. Ее катализатор базируется на таком элементе, как церий, и он может оставаться стабильным в сотнях циклов преобразования.

Структурно, прибор достаточно прост. Большая часть его функционала связана с фокусирующими линзами, направляющими свет через прозрачное кварцевое окно в специальную камеру для проведения реакции. В камере, созданной для внутреннего отражения, происходит захват фотонов солнечного света. "За счет отражающих поверхностей происходят многочисленные внутренние отражения и эффективный захват солнечной энергии тут составляет около 0,94, что близко к показателю идеального черного тела", - пишут авторы.

После захвата в камере, фотоны превращаются в тепло. В случае проведения реакции, температура в камере достигает 140 градусов в минуту и продолжает нарастать до 1250 градусов, после чего в пределах 1400-1600 градусов происходит стабилизация. Эти температуры достаточно высоки для того, чтобы вызвать химические изменения в катализаторе - цилиндре из пористого диоксида церия.

При высоких температурах, присутствующих на данной фазе цикла, диоксид церия теряет один из двух атомов кислорода. Когда инертный газ заполняет пористый цилиндр, авторы исследования обнаруживали постоянный поток кислорода, который наблюдался еще на протяжении почти часа после разогрева устройства.

После выключения устройства, температура в камере постепенно падала до 900 градусов, обедненный кислородом реагент поступает в камеру и в случае использования водяного пара, церий забирает у водяного пара один из двух атомов кислорода, освобождая попутно и водород. Как правило, полное освобождение водорода происходит примерно за 10 минут. В качестве альтернативы катализатору, можно использовать углекислый газ.

Ученые говорят, что качество производства водорода в устройстве предложенной конфигурации снижалось примерно после первой сотни циклов работы. Оксид церия становился менее стабильным от постоянных разогреваний и охлаждений.

Авторы устройства применяют довольно сложную формулу для расчета эффективности устройства, однако по их данным эффективность устройства довольно высока: по данным разработчиков, эффективность устройства минимум вдвое выше, чем у промышленных систем на базе фотокаталитических процессов.

Конечно, у системы есть и некоторые недостатки. Например, здесь все исходные материалы должны быть стабильными, инертными и чистыми, в особенности воздух. Кроме того, вода также должна быть чистой, а учитывая современную экологию, чистая вода - это тоже довольно дорогостоящее сырье.

В любом случае, авторы утверждают, что их устройство хотя сейчас готово для промышленного внедрения, но существует и в виде мобильной установки для домашнего использования.