До сих пор ни одна система, использующая простые, коммерчески доступные материалы, не могла накапливать солнечную энергию и впоследствии высвобождать ее в виде водорода без внешнего источника электроэнергии. Недавнее исследование показывает, что этот барьер, наконец, преодолен, пишет IE.

Система, о которой рассказали ученые из Университета Ланьчжоу, состоит из двух недорогих и доступных материалов. Первый — это графитовый нитрид углерода, желтый порошок, способный поглощать видимый свет и действовать как фотокатализатор. Второй — метавольфрамат аммония, кластер атомов вольфрама и кислорода, способный принимать и удерживать множество электронов подобно крошечной перезаряжаемой батарее. Процесс происходит в воде с добавлением небольшого количества метанола, который поглощает положительные заряды, образующиеся при попадании света на нитрид углерода. Это предотвращает быструю рекомбинацию и исчезновение электронов. В итоге они накапливаются, а система не расщепляет чистую воду и нуждается в метаноле в качестве вспомогательного реагента.

При освещении нитрида углерода синим светом образуются пары электронов и дырок. Электроны быстро перескакивают в расположенные рядом кластеры вольфрама. По мере накопления электронов раствор заметно меняет цвет с бледно-желтого на темно-синий.

Перенос электронов хорошо работает по двум основным причинам. Во-первых, в кислой среде поверхность нитрида углерода становится заряженной положительно, а кластеры вольфрама — заряженными отрицательно. Противоположные заряды притягиваются, плотно сближая два материала и позволяя электронам эффективно перемещаться между ними. Во-вторых, их энергетические уровни хорошо согласованы, поэтому электроны могут перемещаться естественным образом без необходимости внешнего воздействия.

После выключения света накопленная энергия не исчезает. Для ее высвобождения нужно просто добавить в затемненный раствор катализатор на основе платины на углеродной подложке. Платина обеспечивает места, где накопленные электроны могут соединяться с протонами из воды, образуя водород.

В ходе испытаний прототипа через один час воздействия солнечного света система выработала в темноте 13,5 микромолей водорода. Максимальная скорость производства водорода достигла 3220 мкмоль/г в час, что является самым высоким показателем, когда-либо зарегистрированным для фотокаталитической системы в темноте. Испытания на открытом воздухе при реальном солнечном свете также показали хорошие результаты — 954 мкмоль/г в час в темноте — и все это без какого-либо электрического воздействия.

«Система демонстрирует замечательную эффективность в хранении солнечной энергии в виде электронов», — заявили авторы исследования.

Если будущие эксперименты докажут, что накопленные электроны остаются стабильными в течение недель, а не часов, этот подход позволит передавать солнечную энергию, собранную в регионах с высокой солнечной активностью, в более темные уголки мира и превращать ее в топливо именно тогда, когда это необходимо.

Исследователи из Иордании и Катара разработали любопытный проект «системы двойной солнечной технологии» (TTSS), которая обещает вырабатывать электроэнергию без перерывов на темное время суток. Они додумались соединить стандартную солнечную башню с восходящим потоком со второй, охлаждающей башней нисходящего потока в единую конструкцию.