Исследователи из Университета Райса создали эффективную технологию для производства недорогого водородного топлива.

Группа исследователей под руководством доктора Джун Лу, профессора кафедры материаловедения и наноинженерии Университета Райса (Хьюстон, штат Техас) представила платформу, объединяющую каталитические электроды и солнечные элементы на основе перовскита, которые при воздействии солнечного света вырабатывают электричество. Ток течет к катализаторам, которые превращают воду в водород и кислород с эффективностью аккумуляции солнечной энергии в водороде до 6,7%.

Работа была опубликована в журнале Американского химического общества ACS Nano. Соавторами доктора Лу стали доктор Цзя Лян, а также их коллеги по Университету.

Нужно отметить, что ни в получении электричества из солнечной энергии с помощью перовскитов, ни, тем более, в электролизе нет ничего нового. Новым является интеграция этих давно известных и хорошо исследованных процессов в одном устройстве, что и привело к значительному синергетическому эффекту.

Майк Уильямс - старший специалист в Управлении по связям с общественностью Университета Райса, в своей статье «Вододелительный модуль - источник вечной энергии», опубликованной на сайте Университета 4 мая 2020 года, пишет, что авторам уже на первом этапе разработки удалось значительно удешевить устройство. «Цзя заменил более дорогие компоненты, такие как платина, в солнечных элементах на основе перовскита альтернативами, такими как углерод», - процитировал он доктора Лу.

Кроме того, авторы упростили систему за счет герметизации перовскитного слоя иономерной смолой. По словам Цзя Ляна, пленка позволяет солнечному свету достигать солнечного элемента, защищая его, и служит изолятором между элементами и электродами. А учитывая то, что кристаллы перовскита наиболее эффективны на сегодняшний день в солнечных энергетических элементах, но подвержены влиянию тепла влаги, их изоляция от окружающей среды является важным фактором надёжной и длительной эксплуатации устройства.

В дальнейшем планируется интегрировать в платформу два резервуара для хранения запасов кислорода и водорода и недорогой топливный водородный элемент, чтобы обеспечить выработку электрической энергии на время отсутствия солнечного света. Это позволит организовать бесперебойную работу установки без каких-либо внешних источников питания и свести к минимуму участие человека в добыче водородного топлива.

Исследователи заявили, что продолжат совершенствовать технику инкапсуляции, а также сами солнечные элементы, чтобы повысить эффективность модулей.

Почему этот проект так важен?

Во-первых, он очень технологичен и легко масштабируется.

Во-вторых, очевидны его перспективы в повышении эффективности на фоне снижения себестоимости, что уже делает его коммерчески привлекательным.

И, пожалуй, главное то, что он появился очень своевременно.

Сейчас многие страны объявляют о запуске своих водородных энергетических программ. Лидером в этой области является Япония, где трагическим событием, подтолкнувшим запуск национальной программы развития водородной энергетики, стала фукусимская катастрофа. Свои достижения в водородной энергетике Япония намеривалась продемонстрировать во время Олимпиады 2020. Теперь демонстрация по известным причинам отложена. Но всё ещё впереди.

Главным тормозом в развитии возобновляемых источников энергии всегда являлось отсутствие систем аккумуляции энергии в промышленных масштабах, и водород давно рассматривается в качестве перспективного технологического направления долгосрочного хранения энергии. Сейчас пилотные проекты транспортировки и хранения водорода активно развиваются во всём мире. Причём развиваются не на пустом месте, поскольку проблема транспортировки и хранения газообразного энергоносителя существует давно.

Совсем недавно в Школе химического инжиниринга Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) объявили о создании водородной системы накопления энергии. Основой системы является твердый материал, называемый борогидридом натрия. Благодаря своим свойствам он может впитывать водород, как губка, а затем выделять его обратно. Выпущенный обратно водород направляется в топливный элемент для выработки электроэнергии. Система позволяет экономно хранить водород при высокой плотности и низком давлении без необходимости энергоемкого сжатия или сжижения. Хранилище представляет собой стандартные 20-футовые контейнеры, которые могут транспортироваться в обычном порядке. Разработчики гарантируют 30 лет абсолютно безопасной эксплуатации.

А если ещё вспомнить, что водородные топливные элементы из года в год постоянно дешевеют, то можно не сомневаться в том, что проект Университета Райса замечательно впишется в мировую водородную энергетическую инфраструктуру.

Текст: Виктор Леонов, к.т.н., главный редактор журнала "Современное машиностроение"

Фото: сайт Университета Уильяма Марша Райса, https://news.rice.edu/2020/05/04/