В сегодняшнем повествовании об изменении климата, загрязнении и сокращении ресурсов одно топливо может изменить правила игры в энергетической отрасли: водород. При сжигании в двигателе внутреннего сгорания или на электростанции водородное топливо производит только воду, что делает его намного чище, чем наши нынешние ископаемые виды топлива. При отсутствии производства токсичного газа, без вклада в изменение климата и без смога водород может стать ответом на будущее более чистой энергии, так почему же он не используется более широко??
На это есть две причины. Во-первых, водород легко воспламеняется и очень легко утекает из резервуаров для хранения, вызывая потенциальную опасность взрыва при хранении и транспортировке. Во-вторых, хотя чистый водород встречается на Земле естественным образом, его не хватает в количествах, достаточных для рентабельного использования.
Атомы водорода должны быть извлечены из таких молекул, как метан или вода, что требует большого количества энергии. Хотя существует несколько методов производства водородного топлива, ученым еще предстоит сделать этот процесс «достаточно эффективным», чтобы сделать водород коммерчески конкурентоспособным топливом на энергетическом рынке. Пока это не будет достигнуто, ископаемое топливо, вероятно, продолжит доминировать в отрасли.
На протяжении десятилетий ученые работали над дешевым, эффективным и безопасным способом производства водородного топлива. Один из наиболее многообещающих методов для достижения этой цели – процессы, управляемые солнечными лучами, с использованием света для ускорения (или «катализирования») реакции расщепления молекул воды на кислород и газообразный водород. В 1970-х годах два ученых описали эффект Хонда-Фудзисимы, в котором диоксид титана используется в качестве фотокатализатора при производстве водорода.
Основываясь на этом исследовании, группа японских исследователей под руководством профессора Кен-ичи Кацумата из Токийского научного университета попыталась использовать более дешевый и более доступный полупроводниковый катализатор для этой реакции в надежде еще больше повысить его эффективность, уменьшая затраты на производство и безопасность водородного топлива. Их исследование, опубликованное в журнале Chemistry: A European Journal, показывает, что при использовании формы ржавчины, называемой ?-FeOOH, производство водорода при облучении Hg-Xe лампой может быть в 25 раз выше, чем у катализатора из диоксида титана при том же освещении.
Эксперимент, проведенный профессором Кацуматой и его коллегами, был направлен на решение общих проблем, возникающих при использовании полупроводниковых катализаторов в производстве водорода на солнечной энергии. Авторы описывают три основных препятствия. Во-первых, необходимо, чтобы материал катализатора был пригоден для использования световой энергии.
Во-вторых, для большинства используемых в настоящее время фотокатализаторов в качестве сокатализаторов требуются редкие или «благородные» металлы, которые дороги и труднодоступны. Последняя проблема возникает из-за фактического производства газов водорода и кислорода. Если не разделить сразу, смесь этих двух газов может в лучшем случае снизить выход водородного топлива, а в худшем – вызвать взрыв. Поэтому они стремились найти решение, которое может не только повысить эффективность реакции, но и успешно предотвратить повторное связывание водорода и кислорода и создание потенциальной опасности.
Команда определила перспективный кандидат-катализатор в ?-FeOOH (или ржавчина) и поставил эксперимент по оценке его эффективности для производства водорода и оптимальных экспериментальных условий для его активации. «Мы были очень удивлены получению водорода с помощью этого катализатора, – говорит профессор Кацумата, – потому что не известно, что большинство оксидов железа восстанавливаются до водорода. Впоследствии мы искали условие активации ?-FeOOH и обнаружили, что кислород является незаменимым фактором, что стало вторым сюрпризом, потому что многие исследования показали, что кислород подавляет образование водорода, захватывая возбужденные электроны.«Команда подтвердила механизм производства водорода из водно-метанольного раствора с использованием метода« газовая хроматография-масс-спектрометрия », показав, что ?-FeOOH был в 25 раз более активен, чем катализатор из диоксида титана, использованный в предыдущих исследованиях, поддерживая стабильное производство водорода в течение более 400 часов!
Для оптимизации этого процесса потребуются дополнительные исследования. Профессор Кацумата уточняет: «Особая функция кислорода в активации индуцированного светом ?-FeOOH еще не обнародован.
Поэтому изучение механизма – следующая задача."На данный момент эти открытия Кацуматы и его коллег представляют собой новые достижения в производстве чистого источника энергии с нулевым уровнем выбросов, который будет иметь центральное значение для устойчивого развития общества будущего!