Kitajska dosegla preboj pri cepljenju vode s pomočjo sončne energije in proizvodnji zelenega vodika

Francoski avtor znanstvene fantastike Jules Verne je pred približno 150 leti napovedal, da bo voda postala gorivo prihodnosti.

Danes si znanstveniki prizadevajo, da bi to fantazijo spremenili v resničnost.

Kitajski raziskovalci so nedavno dosegli preboj na področju »fotokatalitskega cepljenja vode za proizvodnjo vodika«.

Z izvedbo »strukturnega preoblikovanja« in »zamenjave elementov« na polprevodniškem materialu so znatno povečali učinkovitost pretvorbe vode v čisto vodikovo energijo z uporabo sončne svetlobe.

Sodobna proizvodnja vodika na sončni pogon temelji predvsem na dveh metodah - pri eni se za proizvodnjo električne energije za elektrolizo vode uporabljajo sončni paneli, kar zahteva zapleteno in drago opremo, pri drugi pa se uporabljajo polprevodniški materiali kot katalizatorji za neposredno cepljenje molekul vode pod sončno svetlobo, je povedal Liu Gang, direktor Inštituta za raziskave kovin Kitajske akademije znanosti in vodja raziskovalne skupine.

Ključ do neposredne cepitve vode s sončno svetlobo je v materialu, imenovanem titanov dioksid.

Ko je izpostavljen sončni svetlobi, deluje kot mikroskopska elektrarna in ustvarja energijske pare elektron-luknja, ki molekule vode razgradijo na vodik in kisik, je pojasnil Liu.

Tradicionalni titanov dioksid pa ima kritično pomanjkljivost - njegova notranja struktura spominja na labirint, zaradi česar aktivirani elektroni in luknje naključno trčijo ter se v milijoninki sekunde rekombinirajo in anihilirajo.

Poleg tega postopek izdelave materiala pri visoki temperaturi pogosto povzroči izgubo kisikovih atomov, zaradi česar nastanejo pozitivno nabite "cone pasti", ki ujamejo elektrone.

Liuova ekipa se je teh vprašanj lotila z uvedbo skandija, elementa redke zemlje, ki je v periodnem sistemu sosed titana, da bi prestrukturirala material.

Skandijevi ioni, ki so po velikosti podobni titanovim ionom, se popolnoma prilegajo mreži titanovega dioksida, ne da bi povzročili strukturno popačenje.

Njihova stabilna valenca nevtralizira neravnovesje naboja, ki ga povzročajo kisikove praznine, kar odpravlja »območja pasti«.

Poleg tega skandijevi atomi rekonstruirajo kristalno površino in ustvarijo posebne fasete, ki delujejo kot »elektronske avtoceste in nadvozi«, kar omogoča elektronom in luknjam, da učinkovito zapustijo labirint.

Z natančnim nadzorom je raziskovalna skupina uspešno razvila specializiran material iz titanovega dioksida z znatno izboljšano zmogljivostjo - njegov izkoristek ultravijolične svetlobe je presegel 30 odstotkov, učinkovitost proizvodnje vodika pod simulirano sončno svetlobo pa je bila 15-krat večja od prej opisanih materialov iz titanovega dioksida in je postavila nov rekord, je dejal Liu.

»Če se uporabi za izdelavo plošče fotokatalitskega materiala s površino enega kvadratnega metra, se lahko v enem dnevu sončne svetlobe proizvede približno 10 litrov vodika,« je dejal Liu.

Dosežek je bil objavljen v zadnji številki revije Journal of the American Chemical Society.

»Naš cilj je še izboljšati tehnologijo, da bi omogočili učinkovito izkoriščanje vidne svetlobe v sončni svetlobi,« je razkril Liu.

Ugotovil je tudi, da Kitajska trenutno predstavlja več kot 50 odstotkov svetovne proizvodnje titanovega dioksida, ki jo podpira trdna industrijska veriga. Poleg tega je Kitajska med vodilnimi na svetu po zalogah skandija.

»Z nadaljnjim napredkom na področju učinkovitosti fotokatalitske cepitve vode ta tehnologija obeta industrijsko uporabo in bi lahko spodbudila preoblikovanje energetskih sistemov,« je dodal Liu.