Новости химической науки > Новый способ расщепления воды

Для решения проблем энергетики будущего заманчивой целью была бы разработка способа дешевого получения водорода для его применения в топливных ячейках и получения жидкого топлива.

В качестве альтернативы к существующим методам получения молекулярного водорода – обработке биомассы и электролизу воды, исследователи стараются разработать метод термического расщепления воды, который позволил бы получать Н₂ за счет термической энергии Солнца и работы катализаторов на основе оксидов металлов. Однако классический подход к термическому расщеплению воды требует повторения нагревания и охлаждения, что приводит к затратам энергии.

Чарльз Масгрейв (Charles B. Musgrave) и Алан Ваймер (Alan W. Weimer) из Университета Колорадо смогли обойти проблему необходимость поддерживать режим температурного цикла, продемонстрировав первый способ термического расщепления воды при постоянной температуре.

Как отмечает эксперт по технологиям, связанным с использованием энергии Солнца, Альдо Штайнфельд (Aldo Steinfeld) заявляет, что результаты работы предлагают решение для достижения более высокой эффективности в процессе конверсии солнечной энергии в жидкое топливо и использовать энергию Солнца для промышленного получения топлива, конкурентоспособного по цене традиционным видам топлива.

Расщепление воды под действием солнечной энергии в режиме температурного цикла (сверху) и изотермическом режиме (снизу). (Рисунок из Science 2013, DOI: 10.1126/science.1239454)

При термическом расщеплении воды в рамках температурного цикла металлооксидный катализатор восстанавливается при высокой температуре – от 1200 до 1500°C, высвобождая молекулу кислорода; восстановленный оксид металла затем окисляется в присутствии воды при температуре около 400°C, в результате чего выделяется H₂ и регенерируется исходный катализатор. Затем цикл повторяется.

При новом изотермическом подходе катализатор из оксида металла восстанавливается при 1350°C, высвобождая кислород, последующее окисление системы в присутствии воды, сопровождающееся выделением водорода и регенерацией катализатора происходит при этой же температуре. В соответствии с результатами нового исследования изотермический процесс эффективнее, чем процесс, в котором температура изменяется, однако исследователи признают, что новая система еще требует изучения.

Эксперт по процессам получения водород за счет использования солнечной энергии Мартин Роеб (Martin Roeb) из Института Солнечной Энергии в Кельне отмечает, что новая методика имеет хорошие шансы превзойти существующие термические методы разложения воды, протекающие в режиме чередования температуры. С ним соглашается специалист по материаловедению и химической технологии Соссина Хайле (Sossina M. Haile), соглашается с ним, подчеркивая, что термическое расщепление воды в изотермическом режиме значительно упрощает процесс, понижая нагрузку на оборудование. Немаловажно и то, что новая система демонстрирует большую эффективность в получении водорода из воды, чем существующие ныне.

Жаолинь Вонг (Zhaolin Wang), специалист по методам получения водорода из Университета Онтарио, отмечает, что переход к изотермическому режиму позволит увеличить срок службы катализатора, упросить условия процесса и увеличить выход выделяющегося водорода. Тем не менее, Вонг указывает на возможную опасность взрыва из-за совместного образования водорода и кислорода в результате самопроизвольного смешения окисленной и восстановленной формы катализатора, однако Ваймер уверен, что такого можно избежать.

Жидкое топливо, которое можно получить с помощью водорода, полученного в результате расщепления воды энергией Солнца, пока еще дороже ископаемого топлива, поэтому даже новый процесс не сможет стать началом революции в энергетике. Тем не менее, результаты нового исследования чрезвычайно важны с точки зрения фундаментальной науки, поскольку наглядно демонстрируют возможность реализации термохимических окислительно-восстановительных циклов в изотермических условиях.

Источник: Science 2013, DOI: 10.1126/science.1239454

метки статьи: #водородная энергетика, #вопросы экологии, #кинетика и катализ, #химическая технология