Группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) в Лозанне создала устройство, которое при воздействии солнечного света извлекает содержащуюся в воздухе воду и выделяет газообразный водород.
Профессор EPFL Кевин Сивула сказал, что устройство все еще находится на стадии разработки, тем не менее, текущее исследование представляет собой большой шаг в поиске экологически чистого и устойчивого топлива без ископаемого топлива.
Авторы исследования черпали вдохновение в фотосинтезе - естественном процессе, посредством которого растения питаются с помощью солнечного света. Во время фотосинтеза растения используют CO2 и воду из окружающей среды, а под солнечным светом они превращают эти химические вещества в крахмал и сахар, которые являются их пищей.
В одном из своих предыдущих исследований профессор Сивула и его команда использовали устройство, известное как фотоэлектрохимическая ячейка (PEC). Они продемонстрировали искусственный фотосинтез, который включал производство водородного топлива из жидкой воды и солнечного света с использованием ячейки PEC. В этом устройстве использовался светочувствительный полупроводниковый материал, который запускал под солнечным светом такие химические реакции, которые расщепляли воду на H 2 и O 2.
Однако такие устройства нельзя было масштабировать, и их было очень сложно построить. Затем исследователи заметили, что клетки лучше работают с газами, чем с жидкостями. Поэтому они решили использовать технологию PEC для извлечения влаги из воздуха вместо непосредственного использования жидкой воды и это привело их к текущему исследованию.
Профессор Сивула и его команда разработали прозрачные газодиффузионные электроды и покрыли их полупроводниковым материалом, способным улавливать и обрабатывать солнечный свет. В отличие от обычных электродов, которые состоят из материалов, непрозрачных для солнечного света, прозрачные электроды изготовлены из трехмерных стеклянных волокон.
Это первое исследование, в котором прозрачные диффузионные газовые электроды используются в качестве подходящей подложки для ячейки PEC. Вся эта установка работает как искусственный лист, который высасывает воду из воздуха и производит газообразный водород.
Энергия солнца запасается листом в виде водородных связей в образующемся газе. Эта энергия может быть далее использована в качестве зеленого и чистого солнечного топлива.
Идея производства солнечного водородного топлива из воздуха может показаться очень простой, но на самом деле это все еще сложный процесс. Даже просто для демонстрации своей идеи авторам исследования пришлось использовать несколько принципов и концепций физики полупроводников, оптоэлектроники, катализа и массопереноса в контролируемой среде.
По словам профессора Сивулы, устройству, вероятно, потребуется 10 или более лет дальнейших исследований, чтобы оно стало основной технологией.
Простейшее объяснение механизма работы искусственного листа состоит в том, что солнечный свет, поглощаемый его полупроводниковым материалом, создает возбужденное состояние, которое при определенных условиях может реагировать с водой с образованием H2 и O 2.
«Мы провели первую демонстрацию. КПД очень низкий (менее 1 %), требуется гораздо больше работы. Мы надеемся, что наш результат вызовет интерес к этому подходу и другие исследовательские группы примут участие в разработке этих газофазных фотоэлектрохимических элементов», - сказал профессор Сивула.
