Блог компании ua-hosting.company. Говоря об ископаемых ресурсах, люди часто упоминают негативное влияние на экологию, а также их исчерпаемость. Учитывая эти факторы, поиски альтернативных источников энергии и других важных ресурсов стали одной из центральных задач современной науки. Одним из многообещающих методов является фотокаталитическое расщепление воды, которое позволяет использовать солнечный свет для получения пригодного для хранения водорода.

Проблема в том, что этот метод требует использования чистой воды и земли для размещения установки. При этом выделяется большое количество неиспользуемого тепла.

Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) разработали гибридное плавучее устройство, которое работает на солнечной энергии и может преобразовывать загрязненную или морскую воду в водородное топливо и чистую воду. Из чего состоит устройство, каковы принципы его работы, и насколько оно эффективно? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Фотокатализ может позволить хранить солнечную энергию непосредственно в форме химического топлива, такого как зеленый водород, получаемый в результате расщепления воды, но потребность в чистой воде ограничивает его потенциал, особенно в регионах, где и без того ощущается нехватка чистой воды. Даже незначительное загрязнение используемой воды может разительным образом повлиять на работу установки, сократив срок ее службы или производительность.

Вторым важным ресурсом является земля, и речь идет не о почве, а о пространстве. Классические фотокатализаторы требуют много места, которого также не хватает ввиду необходимости в сельскохозяйственных, коммерческих или жилых объектах. Оба эти фактора настойчиво подталкивают на разработку установок, способных работать с неочищенной водой и размещаться на воде.

Уже есть разработки, в которых для запуска фотокаталитических реакций используется морская вода, но производительность и долгосрочная стабильность этих систем низки, и для того, чтобы системы работали в таких условиях, часто требуется модернизация сокатализаторов. Альтернативой может стать использование водяного пара из необработанной воды, так как это поможет избежать целого ряда проблем (отравление фотокатализаторов, рассеяние, отражение и поглощение солнечного света загрязняющими веществами в воде и т. д.).

Парофазные фотокаталитические процессы или процессы электролиза требуют меньше энергии для расщепления воды из-за более низкой стандартной свободной энергии Гиббса образования газообразной воды по сравнению с жидкой водой (ΔG°H₂O(г) = –228.6 кДж/моль по сравнению с ΔG°H₂O (л) = −237.2 кДж/моль). Кроме того, парофазные реакции снижают сопротивление массопереносу и способствуют быстрой десорбции выделяющихся газов водорода (H₂) и кислорода (O₂), что подавляет обратные реакции и уменьшает рассеяние света.

Однако системы разделения воды в паровой фазе требуют сложных микрореакторов для правильного распределения газа. Это, в сочетании с энергоемким производством водяного пара, во многом сводит на нет потенциальное преимущество расщепления воды в паровой фазе.

Солнечный свет может стать альтернативным источником экологически чистой энергии для генерации водяного пара с помощью устройств фототермического преобразования, таких как генераторы солнечного пара (SVG от solar vapour generator), которые могут преобразовывать большую часть солнечного спектра в тепловую энергию для нагрева воды на границе раздела жидкость-пар. Материалы на основе углерода часто используются в качестве поглотителей солнечной энергии из-за их низкой стоимости, простоты изготовления и широкого спектра поглощения солнечной энергии. А вот большинство фотокаталитических систем расщепления воды могут использовать только фотоны высокой энергии для запуска реакции, оставляя большую часть солнечного спектра, особенно длинноволновую видимую и инфракрасную области, неиспользованной. Следовательно, объединение этих двух технологий преобразования солнечной энергии может реализовать полное использование солнечного спектра.

Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили вышеупомянутые проблемы и ограничения путем интеграции двух взаимодополняющих солнечных технологий, а именно фотокаталитического устройства для экологически чистого производства водорода из водяного пара и SVG для производства чистой воды. Ученые разработали гибридный лист фототермо-фотокатализатора (1a-1c), который объединяет порошок фотокатализатора (PC от photocatalyst) поверх SVG, образуя единое устройство (SVG-PC). Полученный плавучий лист использует весь солнечный спектр благодаря синергетическому поглощению ультрафиолетового света верхним слоем PC и видимого инфракрасного света слоем SVG (1a, 1e). Испарение водного сырья с помощью SVG снабжает слой PC достаточным количеством водяного пара для генерации H2 и O2 без использования расходуемых реагентов. Оставшийся чистый водяной пар конденсируется и собирается.

Структура устройства