Нанотехнелогии совершенствуют водородную энергетику

Под руководством профессора Майкла Гратзела (Michael Gratzel) из Швейцарского федерального института технологий Лозанны, ученым удалось объединить две технологии, используемые современной промышленностью, и применить их для производства дешевого водорода. Новая технология позволяет надежно защитить оксид меди от контакта с водой. Преимуществ множество: оксида меди много и он недорог, защитный слой полностью непроницаемым вне зависимости от формы поверхности (она может быть шероховатой для максимальной эффективности), но главное – процесс может быть легко расширен до промышленного масштаба.

Обычно процесс включает в себя использование светочувствительных полупроводниковых материалов, таких как оксид меди, для обеспечения реакций, необходимых для выработки топлива. Хотя это очень дешевая технология, она сталкивается с серьезным препятствием – оксид меди, помещенный в воду, очень неустойчив к воздействию света. Исследование, проведенное Адрианой Парамчино (Adriana Paracchino) и Елияхом Тимсеном (Elijah Thimsen), решает эту проблему с помощью покрытия полупроводника тонким слоем атомов.

Суть ноу-хау заключается в наращивании на поверхности оксида меди слоев оксида цинка и оксида титана в один атом толщиной. Используя технику ALD, ученые смогли выдерживать толщину защитного слоя с точностью до одного атома по всей поверхности полупроводника. Это гарантирует стабильную эффективность производства водорода. Следующим шагом в исследованиях будет улучшение электрических свойств защитного слоя.

Исследователи из Университета Монаша (Австралия) и Калифорнийского университета в Дэвисе (США) обнаружили процесс расщепления воды на водород и кислород, который может быть реализован в дешевом устройстве на основе марганцевого катализатора. С помощью современных спектроскопических методов исследователи тщательно изучали работу различных вариантов марганцевых катализаторов и обнаружили, что вода лучше всего разлагается на водород и кислород при превращении сложных марганцевых соединений в простой материал, называемый бернессит (соединение оксида марганца, кальция, калия и натрия). Реакция расщепления воды проходит в два этапа. Сначала две молекулы воды окисляются с образованием одной молекулы кислорода, четырех положительно заряженных ядер водорода (протонов) и четырех электронов. Затем протоны и электроны объединяются в две молекулы водорода (H2). Однако для коммерчески эффективного процесса производства водорода и кислорода требуется применение сложных катализаторов, которые снижают требуемый ток и увеличивают выход полезных газов. Основа работы марганцевого катализатора заключается в переходе между двумя его состояниями. Сначала при подаче электрического напряжения марганец-II превращается в марганец-IV со структурой бернессита. В солнечном свете бернессит опять превращается в марганец-II и весь процесс повторяется. Таким образом в процессе расщепления воды присутствует дешевый распространенный материал, а значит есть потенциальная возможность создать надежный долговечный катализатор, который может вырабатывать водород без дополнительного дорогостоящего обслуживания.