Ископаемое топливо ограничено в количестве. С ростом энергетических потребностей растущего населения земли рано или поздно понадобится замена этого источника энергии.
Решением может стать производство гораздо большего количества электроэнергии с использованием возобновляемых источников и разработка эффективных способов ее хранения, например, аккумуляторных батарей.
Это, безусловно, будет необходимо делать, но в некоторых случаях, связанных, например, с самолетами, плотность накопления энергии, которую могут предоставить современные батареи, недостаточна.
Более того, к 2030 году только 22% от общего энергопотребления будет приходиться на электроэнергию, а это значит, что необходимо будет найти иные способы удовлетворения остального 78% -ного спроса с помощью других источников, например, экологически чистого топлива. [1]
Поиск хорошей замены ископаемому топливу имеет решающее значение для будущей энергетической устойчивости. Идеально, если этот заменитель будет в изобилии и его легко будет произвести.
Поскольку Солнце является изначальным источником подавляющего большинства видов энергии на Земле, естественно ожидать, что синтез этого идеального топлива будет связан именно с Солнцем.
Растения в своем развитии решали аналогичную проблему. Им нужен был способ накопить энергию, полученную от Солнца днем, чтобы выживать ночью, расти и размножаться. Это привело к появлению процесса фотосинтеза, который производит глюкозу и кислород из углекислого газа, воды и фотонов.
Вдохновленные этим явлением, некоторые люди пытаются найти искусственные процессы, которые воссоздают и адаптируют фотосинтез для производства топлива, называемого «солнечным».
Если солнечное топливо окажется экономически рентабельным, оно станет отличной заменой ископаемым ресурсам.
Фотосинтез происходит в хлоропластах растительных клеток. Как было сказано, он производит глюкозу и кислород из углекислого газа, воды и фотонов. По сути, фотон окисляет воду, а свободный электрон и протон используются для восстановления молекулы углерода, выработки глюкозы и выделения кислорода.
Первая часть процесса зависит от света, в то время как вторая, также называемая циклом Кальвина, не зависит от света (без участия фотонов). На каждые шесть молекул воды и углекислого газа образуется одна молекула глюкозы и шесть молекул кислорода.
Интересно проанализировать эффективность процесса. Она определяется как содержание энергии в биомассе, деленное на общее количество солнечного излучения для ее производства.
Используя это определение, стандартная эффективность для сельскохозяйственных растений составляет порядка 1%, достигая 3% для некоторых микроводорослей. [2]
Как видно, это невысокое значение по сравнению с эффективностью фотоэлектрохимической ячейки. Тем не менее, фотосинтез имеет ряд важных преимуществ. Например, он может поглощать углекислый газ даже при очень низких его концентрациях, квантовая эффективность составляет почти 100%, клетка может восстанавливаться сама, если она повреждена, и конечный продукт, глюкоза, является очень стабильным и транспортабельным продуктом.
Целью искусственного фотосинтеза является использование преимуществ естественного при одновременном устранении его недостатков, в частности низкой эффективности.
Как и естественный фотосинтез, он заключается в окислении донора электронов (обычно воды) светом, а затем в восстановлении некоторых других химических веществ для достижения синтеза солнечного топлива.
Существует три основных категории систем для организации искусственного фотосинтеза с использованием воды для получения водорода, имеющего высокую плотность энергии. [3] Это:
Фотохимическая система производит непосредственно водород и кислород посредством химических реакций в одной и той же емкости.
Это очень просто и дешево, но также и неэффективно. Фактическая эффективность обычно составляет менее 1%. Кроме того, в процессе образуется смесь водорода и кислорода, которую надо разделить, чтобы избежать обратных реакций, что влечет за собой удорожание стоимости производства.
Фотоэлектрический электролиз - это интуитивно понятное использование фотоэлектрических панелей для выработки электроэнергии, идущей на поддержание электролиза воды.
Это довольно эффективный процесс, с типичными значениями эффективности более 10% (выше, чем у естественного фотосинтеза), но также и дорогой, особенно по сравнению с ископаемым топливом. Поскольку фотоэлектрический электролиз уже использует довольно зрелую технологию, то его эффективность, скорее всего, не сильно увеличится в ближайшие годы.
Наконец, фотоэлектрохимическая ячейка предлагает сбалансированное решение. Она имеет довольно высокую эффективность и не очень высокую стоимость. Система объединяет фотоэлектрический электролиз в одно устройство, то есть использует сочетание полупроводник-электролит.
В это же время на разных электродах вырабатывается водород и кислород, поэтому отсутствует риск возникновения обратных реакций или взрывов. Этот процесс может даже конкурировать с водородом, полученным из ископаемого топлива, при условии, что КПД будет выше 10%, а срок службы устройства превысит 5 лет. Поскольку сегодня это наиболее сбалансированное решение, опишем его более подробно.
По сути, самая простая фотоэлектрохимическая ячейка состоит из одного полупроводникового фотоэлектрода (светочувствительного электрода) и одного стандартного металлического электрода.
Идеальный полупроводниковый фотоэлектрод будет поглощать большую часть солнечного света, легко переносить заряд (электроны и дырки) и быть стабильным.
Идеальный материал еще не найден. Некоторые методы, используемые для повышения эффективности, включают, например, использование разделенного фотокатода p-типа и фотоанода n-типа в тандемной конфигурации.
В такой конфигурации полупроводник с более широкой полосой пропускания ставится поверх другой, максимально увеличивая диапазон спектра поглощения. Такая тандемная конфигурация может дать эффективность более 25%, что намного выше, чем у обычного фотоэлектрического электролиза.
Хотя многое еще предстоит сделать, особенно касательно разработки более совершенных полупроводниковых материалов для фотоэлектродов, искусственный фотосинтез, осуществляемый с помощью фотоэлектрохимической ячейки, уже кажется очень многообещающим, обеспечивая высокую эффективность при разумных затратах.
Источник:
Diogo Pinto Leite de Bragança. «Искусственный фотосинтез и солнечное топливо»
Ссылки:
[1] S. Styring, «Искусственный фотосинтез для солнечного топлива», Faraday Discuss. 155, 357 (2012).
[2] R. E. Blankenship и соавторы, «Сравнение эффективности фотосинтеза и фотоэлектрической энергии и признание наличие возможности для ее улучшения», Science 332, 805 (2011).
[3] S. Chu и соавторы, «Дорожная карта по солнечному расщеплению воды: текущее состояние и будущие перспективы», Nano Futures 1, 022001 (2017).
Написать комментарий