Водород из солнечной энергии даже в темноте: новые возможности хранения

Новая фотокаталитическая система позволяет хранить солнечную энергию и производить водород даже при отсутствии света, преодолевая два исторических ограничения цепочки поставок.

Можно хранить солнечную энергию и по мере необходимости выделять ее в виде водорода даже в отсутствие света. Об этом свидетельствует новое исследование, опубликованное в научном журнале Расширенные материалы и создан командой китайских исследователей.

Система работает путем объединения графитового нитрида углерода (g-C₃N₄) и метавольфрамата аммония (W12) в жидкой суспензии, преодолевая два структурных препятствия водорода: сложность хранения и непостоянство солнечного источника.

На ранних стадиях система подвергается воздействию света. g-C₃N₄ действует как фотонный поглотитель, генерируя электроны, которые переносятся и сохраняются внутри полиоксометаллата W12.

Этот процесс сопровождается видимым изменением цвета раствора от бледно-желтого до синего, что является признаком накопления заряда. Таким образом, энергия сохраняется до тех пор, пока не будет высвобождена, что происходит без необходимости дальнейшего излучения.

Производительность системы подачи водорода по требованию

Экспериментальные данные показывают соответствующие количественные результаты. В темных условиях система достигает скорости выделения водорода 3220 мкмоль г⁻¹ ч⁻¹, а при естественном солнечном излучении на открытом воздухе производство составляет 954 мкмоль г⁻¹ ч⁻¹. Оба значения высоки по сравнению с другими системами фотокатализа «темнового режима», описанными в литературе.

Высвобождение водорода происходит за счет введения катализатора Pt/C, который запускает контролируемое высвобождение электронов, хранящихся в W12. Этот процесс не требует внешней электроэнергии или сложных конструкций и использует исключительно энергию, накопленную ранее на этапе освещения.

Таким образом, такая архитектура позволяет временно отделить фазу захвата солнечной энергии от фазы производства водорода, что позволяет системе работать даже в отсутствие света.

Соединение g-C₃N₄–W12.

Эффективность системы достигается за счет энергетического выравнивания двух материалов. Восстановительный потенциал W12 – химического соединения на основе вольфрама, действующего как «химическая батарея» – совместим с зонной структурой g-C₃N₄ (графитового нитрида углерода), полупроводника, который поглощает свет и генерирует электроны, способствуя быстрому и стабильному электронному переносу. Кроме того, два компонента имеют противоположные поверхностные заряды, что приводит к электростатической самосборке суспензии.

Этот прямой контакт создает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет поток электронов из полупроводника в полиоксометаллат и улучшает фазы накопления и высвобождения. Анализ поверхности, потенциальные измерения и спектры ЭПР, представленные в исследовании, подтверждают наличие стабилизированных электронов внутри W12 после освещения.

Результатом является оптимизированный электронный путь хранения и выпуска, центральный элемент обеспечения надежности производства водорода по требованию.

Какие проблемы в цепочке поставок водорода он решает?

В исследовании рассматривается система как ответ на две структурные критические проблемы в цепочке поставок водорода. Во-первых, это опасность хранения и транспортировки водорода, связанная с необходимостью использования резервуаров высокого давления. Второе — это прекращение производства солнечной энергии, что ограничивает работу традиционных фотокаталитических систем.

В этом случае водород не хранится, а производится только при необходимости, что снижает риски, связанные со сжатием и перемещением газа. В то же время солнечную энергию можно собирать при благоприятных условиях и использовать позже даже в условиях отсутствия света.

По мнению авторов, система демонстрирует надежную работу в реальных условиях и открывает путь к масштабируемым решениям для производства водорода в солнечных регионах и его отложенного использования в условиях дефицита энергии.

Смена парадигмы

Описанный принцип напоминает функционирование естественного фотосинтеза, отделяющего световые реакции от темных. В этом случае солнечная энергия превращается в химический резерв электронов, готовый высвободиться по требованию для производства водорода.

Система g-C₃N₄/W12 показывает, что можно освободить производство водорода от мгновенного присутствия Солнца, открывая новые конфигурации заводов и логистики. Сочетание химической простоты, отсутствия внешних электрических входов и высокой производительности делает это решение одним из самых передовых в области получения водорода по требованию.