В Германии создали вещество, эффективно расщепляющее воду на водород и кислород — Наука
ТАСС, 3 октября. Немецкие исследователи разработали синтетический фермент, способный захватывать молекулы воды и расщеплять их на водород и кислород столь же эффективно, как это делают фотосинтезирующие белки растений. Создание этого вещества ускорит переход на водородную энергетику. Работа опубликована в Nature Catalysis. О результатах сообщила в понедельник пресс-служба Вюрцбургского университета.
«Этот успех стал возможным после того, как наш аспирант Никлас Нолль выяснил, как можно разместить искусственный «карман» рядом с ранее созданным нами катализатором на базе рутения. Когда молекула воды попадает в этот «карман», она размещается в определенной позиции относительно атомов рутения, что ускоряет транспортировку электронов и делает этот процесс похожим на то, что происходит в белках растений», — заявил профессор Вюрцбургского университета (Германия) Франк Вюртнер, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
За последние два десятилетия физики разработали большое число катализаторов или установок по расщеплению воды, способных расщеплять молекулы влаги на кислород и водород при помощи света или электричества. Пока такие системы далеки от практического использования, чем мешает как высокая себестоимость производства водорода и кислорода, так и низкая долговечность их компонентов.
С другой стороны, этот процесс был полностью освоен предками цианобактерий и растений еще несколько сотен миллионов лет назад, когда они выработали набор белков, позволяющий им поглощать частицы света и использовать их энергию для расщепления воды и производства питательных веществ. Ученые уже долгое время пытаются повторить этот процесс и создать первые «зеленые» расщепители воды.
Энергоэффективное расщепление воды
Профессор Вюртнер и его коллеги уже много лет работают над воспроизведением работы фотосистемы-II, той части процесса фотосинтеза, которая непосредственно связана с разложением воды. Несколько лет назад им удалось создать сложную химическую систему из нескольких различных молекул на базе ионов рутения и органических веществ, которая была способна разлагать молекулы воды.
Это натолкнуло ученых на мысль, что они могут использовать рутений для создания полноценного искусственного фермента, расщепляющего воду на кислород и водород. Для этого, однако, исследователям нужно было создать новый каталитический центр, который бы исполнял все функции, которые в их прошлой разработке возлагались на несколько независимых друг от друга молекул.
Руководствуясь этой идеей, ученые изучили то, как органические молекулы, окружающие атомы рутения, влияют на характер взаимодействий между водой и центром катализатора. Эти опыты помогли химикам подобрать такую трехмерную форму «оболочки», окружающей ионы рутения, которая «мешала» молекуле воды занять неоптимальное положение, что максимизировало шансы на ее расщепление.
Впоследствии профессор Вюртнер и его коллеги синтезировали две разных формы этого катализатора, а также детально изучили их структуру и работу на практике. Эти опыты показали, что синтетический фермент действительно способен активно расщеплять воду столь же быстро, как это делает фотосистема-II. В ближайшее время ученые планируют использовать этот фермент для создания экспериментальной установки, расщепляющей воду при помощи энергии света.
Ячейка для фотоэлектролиза прошла тест на готовность к космосу. Ее сбросили со 120 метров
Химики разработали фотоэлектрохимическую ячейку для расщепления воды на водород и кислород в условиях микрогравитации, и при этом доказали ее работоспособность, сбрасывая ее в экспериментальной капсуле со 120-метровой высоты. Оказалось, что предложенный ими элемент с нанотекстурированной поверхностью электрокатализатора позволяет отводить от электродов образующийся газ и не снижает эффективность даже в условиях невесомости, пишут ученые в Nature Communications.
Расщепление воды на водород и кислород с помощью солнечного света позволяет получать горючее газовое топливо. Именно с помощью такой реакции, проводимой в фотоэлектрохимических ячейках, ученые предлагают получать водородное топливо на космических кораблях, используя для этого энергию солнечного света. Однако до сих пор было непонятно, будут ли эти системы нормально работать в условиях невесомости, ведь образующий газ должен отводиться от электродов, чтобы не препятствовать дальнейшему поступлению катионов водорода. Если на Земле — при наличии силы тяжести (а соответственно, и силы Архимеда) — этот процесс происходит сам, то в условиях микрогравитации эффективность фотоэлектрохимических ячеек для расщепления воды может быть значительно ниже.
Химики из США, Нидерландов и Германии под руководством Ханса-Йоахима Леверенца (Hans-Joachim Lewerenz) предложили такую схему ячейки для расщепления воды под действием света, которая должна работать и в условиях микрогравитации. Основу ячейки составил электрокатализатор на основе родия, нанесенный через маску из полистирольных наносфер на поверхность светопоглощающего катода из фосфида индия. Благодаря использованию маски у этой поверхности появляется нанотекстура, которая заставляет образующиеся пузырьки отрываться от электрода, и они не препятствуют дальнейшему протеканию реакции. Также для ускорения отвода пузырьков газа от электродов ученые добавляли в раствор электролита на основе хлорной кислоты один процент изопропанола.
Для проверки работоспособности разработанной ячейки в условиях микрогравитации ученые провели эксперимент в капсуле (в ней находились и сама ячейка, и источник света), которую сбрасывали вниз со 120-метровой высоты в вакуумизированной башне. Во время падения в ячейке воспроизводились условия микрогравитации (с минимальным уровнем 10-6 g), общая длительность свободного падения составила 9,3 секунды. Для сравнения такой же эксперимент проводился с аналогичной ячейкой, но с плоским слоем электрокатализатора. Также обе эти ячейки были протестированы в условиях нормального земного притяжения.
Оказалось, что предложенная конфигурация действительно позволяет эффективно расщеплять воду в условиях невесомости. При этом работоспособность элемента сохраняется и при достаточно больших плотностях тока — вплоть до 16 миллиампер на квадратный сантиметр. Показатели аналогичной ячейки с плоским электрокатализатором оказались несколько хуже, но если в условиях земной гравитации плотность тока была лишь на несколько процентов ниже, чем для нанотекстуриованной поверхности, то в условиях микрогравитации она упала более чем в три раза.
Чтобы подтвердить механизм повышения эффективности электрохимического элемента за счет ускоренного отрыва пузырьков и большей скорости транспорта ионов, эту систему промоделировали численно с использованием кинетической транспортной модели, которая подтвердила полученные результаты. По словам авторов работы, полученные ими результаты доказывают возможность использования подобных ячеек в космосе, а разработанные методы в будущем позволят оптимизировать геометрию и точный состав фотоэлектрохимического элемента для подобных целей.
Как правило, для определения возможного влияния микрогравитации необходимо более долгое время, чем те несколько секунд, в течение которых капсула находится в полете. Поэтому для проведения более длительных экспериментов используются другие установки. Небольшие тестовые эксперименты можно проводить в специальных вращающихся камерах. Для проведения полноценных экспериментов в условиях микрогравитации установки отправляются на орбиту. Например, на борту МКС изучали растворимость таблеток в воде, а для исследования воздействия антибиотиков на кишечную палочку на орбиту Земли даже запустили отдельный микроспутник EcAMSat.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Расщепление воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность — ScienceDaily
Science News
от исследовательских организаций
- Дата:
- 3 июня 2020 г.
- Источник:
- Университет Шиншу
- Резюме:
- Ученые успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть почти без потерь и нежелательных побочных реакций. Этот последний прорыв в производстве солнечного водорода делает вероятность масштабируемого и экономически жизнеспособного производства водорода более чем вероятным, прокладывая путь человечеству к переходу на чистую энергию.
- Поделиться:
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Налейте себе стакан воды и взгляните на него. Эта вода содержит обильный источник топлива, водород. Водород сгорает чисто, в отличие от энергетических продуктов на основе бензина. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Ученые в Японии успешно разделили воду на водород и кислород, используя легкие и тщательно разработанные катализаторы, и они сделали это с максимальной эффективностью, то есть почти без потерь и нежелательных побочных реакций. Этот последний прорыв в производстве солнечного водорода делает вероятность масштабируемого и экономически жизнеспособного производства водорода более чем вероятным, прокладывая путь человечеству к переходу на чистую энергию.
реклама
Расщепление воды с использованием катализаторов и солнечного света, называемое фотокатализом, на протяжении десятилетий было многообещающим методом получения солнечного водорода. Однако большинство предыдущих попыток давали только внешнюю квантовую эффективность менее примерно 50%, что представляет собой сложность разработки эффективного катализатора для реального использования. Катализатор нужно было разработать лучше, чтобы каждый поглощенный фотон от источника света использовался для производства водорода. Ключом к повышению эффективности было стратегическое размещение сокатализаторов и предотвращение дефектов в полупроводнике.
Опубликовано в выпуске Nature от 27 мая, Tsuyoshi Takata of Shinshu University et al. открыла новые горизонты в производстве электроэнергии, используя титанат стронция, легированный алюминием, в качестве фотокатализатора, свойства которого были тщательно изучены и, следовательно, лучше всего изучены. Они выбирают сокатализаторы родий для водорода с оксидом хрома и оксид кобальта для кислорода, настраивая их так, чтобы они участвовали только в желаемых реакциях. Этот метод позволил избежать рекомбинационных потерь в реакции.
Эти новые открытия открывают двери для создания масштабируемого и экономически жизнеспособного производства солнечного водорода. Их стратегии проектирования позволили уменьшить дефекты, что привело к почти идеальной эффективности, и полученные знания будут применяться к другим материалам с интенсивным поглощением видимого света.
изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность
История Источник:
Материалы предоставлены Университетом Синсю . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Справочник журнала :
- Цуёси Таката, Цзюньчжэ Цзян, Ёсихиса Саката, Мамико Накабаяси, Наоя Сибата, Викас Нандал, Казухико Секи, Такаси Хисатоми, Казунари Домен. Фотокаталитическое расщепление воды с квантовой эффективностью почти единица . Природа , 2020; 581 (7809): 411 DOI: 10.1038/s41586-020-2278-9
Цитировать эту страницу :
- MLA
- АПА
- Чикаго
Университет Шиншу. «Солнечное производство водорода: разделение воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность». ScienceDaily. ScienceDaily, 3 июня 2020 г.
Университет Шиншу. (2020, 3 июня). Производство солнечного водорода: разделение воды с помощью УФ-излучения теперь имеет почти 100% квантовую эффективность. ScienceDaily . Получено 21 ноября 2022 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200603104547.htm
htm (по состоянию на 21 ноября 2022 г.). реклама
Нанокремний быстро расщепляет воду без света, тепла и электричества
Иллюстрация междисциплинарного подхода к производству водорода путем окисления кремния. Подход включает в себя синтез наночастиц кремния, реакцию кремний-вода, которая генерирует водород по требованию, и использование водорода в топливных элементах для портативных источников энергии. Авторы и права: Фоларин Эрогбогбо и др. ©2013 Американское химическое общество (Phys.org) — Хотя ученым известно, что при смешивании кремния с водой в результате окисления образуется водород, никто не ожидал, насколько быстро кремниевые наночастицы смогут выполнить эту задачу. Как показало новое исследование, наночастицы кремния размером 10 нм могут генерировать водород в 150 раз быстрее, чем наночастицы кремния размером 100 нм, и в 1000 раз быстрее, чем объемный кремний. Открытие может проложить путь к быстрым технологиям генерации водорода «просто добавь воды» для портативных устройств без необходимости в свете, тепле или электричестве.
Исследователи Фоларин Эрогбогбо из Университета Буффало и соавторы опубликовали свою статью об использовании нанокремния для получения водорода в недавнем выпуске Nano Letters .
Если водород когда-либо будет использоваться для производства энергии для широкого коммерческого применения, одним из требований является поиск быстрого и недорогого способа производства водорода. Одним из наиболее распространенных способов получения водорода является расщепление воды на водород и кислород. Существует несколько способов расщепления воды, например, с помощью электрического тока (электролиз), нагревания, солнечного света или вещества, химически вступающего в реакцию с водой. К таким веществам относятся алюминий, цинк и кремний.
Как объяснили ученые, реакции окисления кремния и воды до сих пор были медленными и неконкурентоспособными по сравнению с другими методами расщепления воды. Тем не менее, у кремния есть некоторые теоретические преимущества, такие как распространенность, простота транспортировки и высокая плотность энергии. Далее, при окислении водой кремний теоретически может выделять два моля водорода на моль кремния, или 14% от собственной массы в водороде.
По этим причинам ученые решили более внимательно изучить кремний, а именно наночастицы кремния, которые ранее не изучались для получения водорода. Поскольку наночастицы кремния имеют большую площадь поверхности, чем более крупные частицы или объемный кремний, можно было бы ожидать, что наночастицы могут генерировать водород быстрее, чем более крупные кусочки кремния.
Но улучшения, обнаруженные учеными с помощью кремниевых наночастиц, намного превзошли их ожидания. Реакция частиц кремния размером 10 нм с водой произвела в общей сложности 2,58 моля водорода на моль кремния (даже превысив теоретические ожидания), при этом для получения 1 ммоль водорода потребовалось 5 секунд. Для сравнения, реакция с частицами кремния размером 100 нм дает в общей сложности 1,25 моля водорода на моль кремния, при этом на получение каждого ммоль водорода уходит 811 секунд.
«Я считаю, что величайшее значение этой работы — демонстрация того, что кремний может реагировать с водой достаточно быстро, чтобы иметь практическое применение для производства водорода по запросу», — соавтор Марк Суихарт, профессор химической и биологической инженерии в Университете Буффало. , сообщил
Максимальные ставки указаны в левой колонке с изображениями образцов на них. Средние ставки указаны в правой колонке. Красная линия указывает максимальную зарегистрированную скорость образования водорода из алюминия. Авторы и права: Фоларин Эрогбогбо и др. ©2013 Американское химическое обществоВ дополнение к тому, что водород производится быстрее, чем более крупные кусочки кремния, 10-нм кремний также производит водород значительно быстрее, чем наночастицы алюминия и цинка. Как объяснил Суихарт, объяснение этого неравенства для двух материалов различается.
«По сравнению с алюминием кремний реагирует быстрее, потому что алюминий образует более плотный и прочный оксид (Al 2 O 3 ) на своей поверхности, что ограничивает реакцию», — сказал он. «В присутствии основания, такого как KOH [гидроксид калия], кремний в основном образует растворимую кремниевую кислоту (Si(OH) 4 ). По сравнению с цинком кремний просто более реакционноспособен, особенно при комнатной температуре».
Хотя большая площадь поверхности 10-нанометрового кремния по сравнению с более крупными кусочками кремния способствует высокой скорости производства водорода, одна только площадь поверхности не может объяснить огромное увеличение скорости, наблюдаемое учеными. Площадь поверхности 10-нм кремния составляет 204 м 2 /г, что примерно в 6 раз превышает площадь поверхности 100-нм кремния, которая составляет 32 м
Чтобы понять, что вызывает гораздо большее увеличение скорости производства водорода, исследователи провели эксперименты в процессе травления кремния. Они обнаружили, что для частиц размером 10 нм травление включает удаление равного числа плоскостей решетки в каждом направлении (изотропное травление). Напротив, для частиц и микрочастиц размером 100 нм удаляется неравное количество плоскостей решетки в каждом направлении (анизотропное травление).
Исследователи связывают эту разницу в травлении с разной геометрией кристаллов разного размера. В результате этой разницы более крупные частицы принимают несферическую форму, которая обнажает менее реакционноспособные поверхности по сравнению с более мелкими частицами, которые остаются почти сферическими, обнажая все грани кристалла для реакции. Более крупные частицы также образуют более толстые слои побочных продуктов окисления кремния, через которые должна диффундировать вода. Оба эти фактора ограничивают скорость реакции на более крупных частицах.
Чтобы подтвердить, что 10-нм реакция кремний-вода генерирует водород без побочных продуктов, которые могли бы помешать приложениям, исследователи использовали водород, генерируемый кремнием, для работы топливного элемента. Топливный элемент работал очень хорошо, производя больше тока и напряжения, чем теоретическое количество чистого водорода, что связано с тем, что 10-нм частицы генерировали больше водорода, чем теоретические 14 мас.%.
Исследователи надеются, что эта удивительная способность кремниевых наночастиц быстро расщеплять воду и генерировать водород может привести к разработке технологии получения водорода по требованию, которая позволит использовать топливные элементы в портативных устройствах. Эта технология потребует крупномасштабного энергоэффективного метода производства кремниевых наночастиц, но может иметь некоторые преимущества по сравнению с другими методами производства водорода.
«Ключевым преимуществом окисления кремния для производства водорода является его простота», — сказал Суихарт. «При таком подходе водород производится быстро, при комнатной температуре и без необходимости в каком-либо внешнем источнике энергии. Энергия, необходимая для производства водорода, эффективно хранится в кремнии. Вся энергия, необходимая для производства кремния, может быть обеспечена. в центральном месте, а затем кремний можно использовать в портативных устройствах.
«Ключевым недостатком окисления кремния является его относительная неэффективность. Энергозатраты, необходимые для создания наночастиц кремния, намного превышают энергию, доступную из водорода, который в конечном итоге производится. Для крупномасштабных приложений это будет проблемой. Для портативных приложений это не так. Например, стоимость электроэнергии от обычной бытовой батареи легко может быть в 10-100 раз выше, чем стоимость электроэнергии от коммунального предприятия, но батареи по-прежнему играют важную роль в нашей жизни».0003
В будущем исследователи планируют еще больше увеличить мощность производства водорода при окислении кремния, экспериментируя с различными смесями.
«Одним из направлений, которым мы сейчас занимаемся, является использование смесей наночастиц кремния с гидридами металлов, которые также реагируют с водой с образованием водорода», — сказал Суихарт. «Такие соединения, как гидрид лития и гидрид натрия, реагируют с водой с образованием основания (LiOH или NaOH), необходимого для катализа окисления кремния. Однако они могут слишком быстро реагировать с водой (взрывоопасно) и нестабильны на воздухе. Смешивание их с кремниевыми наночастицами или покрытие их кремниевыми наночастицами может служить как для сдерживания их реакционной способности, так и для увеличения способности системы генерировать водород за счет замены добавленного основания (например, KOH в опубликованной статье) материалом, который также генерирует водород».