Ученые впервые
обнаружили катализатор искусственного фотосинтеза
До
сих пор никому не получалось предложить катализатор, способный быстро окислять
воду под действием солнечного света
Команда
учёных из Королевского технологического института в Стокгольме (Швеция) первой
продемонстрировала скорость конверсии солнечной энергии, сравнимую со скоростью
природного фотосинтеза, установив своеобразный мировой рекорд.
Вот
уже тридцать лет над «искусственным фотосинтезом» бьются научные группы из
Европы, США и Японии, но пока без особого успеха. До сего дня никому не
удавалось предложить катализатор, могущий быстро окислять воду под действием
солнечного света.
Молекулярный
катализатор, разработанный шведскими специалистами, настолько стремителен, что
позволяет получать скорость, превосходящую 300 оборотов (полных каталитических
циклов) в секунду, тогда как скорость природного фотосинтеза лежит в пределах
от 100 до 400 циклов в секунду. Так что это действительно мировой рекорд и
явный прорыв в области молекулярных катализаторов «искусственного фотосинтеза»,
что позволяет надеяться на скорое практическое применение.
По
словам самих учёных, сейчас уже можно говорить о создании мощностей большой
площади по производству водорода в пустыне Сахара, где явный переизбыток
солнечного света при нулевой стоимости земли.
Физики улучшили
эффективность «зеленой» солнечной батареи в 2,5 раза
Американские
физики создали гибридный источник электроэнергии на основе фотосинтезирующего
белка PS1 и кремниевой солнечной батареи, превосходящий по эффективности
аналогичные разработки в 2,5 раза, и опубликовали «инструкцию» по его сборке в
статье в журнале Advanced Materials.
«Эта
комбинация вырабатывает ток, сила которого в тысячу раз превосходит то, что мы
получали, покрывая белком пластинки из различных металлов. Если мы продолжим
двигаться по текущей траектории, постепенно увеличивая силу тока и его
напряжение, мы достигнем уровня полноценной технологии по преобразованию энергии
солнца в электричество через три года», - пояснил руководитель группы ученых Дейвид Клиффел (David Cliffel) из университета Вандербильта в Нэшвилле (США).
Клиффел и его коллеги
экспериментировали с белком фотосистема-I
(PS1) - сложного соединения из пигмента хлорофилла и нескольких белковых
цепочек. Зеленые растения, водоросли и бактерии используют его для захвата
фотонов и преобразования их энергии в свободные электроны, которые впоследствии
расходуются при синтезе питательных веществ.
В
последние годы ученые пытаются приспособить этот белок для производства
электричества или других задач. Так, в декабре 2011 года американские химики
использовали PS1 для создания «водородной фабрики», запасающей энергию света в
молекулах водорода. Через четыре месяца израильские физики адаптировали этот
белок для работы в составе батарейки, использующей свет и воду для производства
электричества.
Авторы
статьи обнаружили, что эффективность работы фотосистемы-I сильно зависит от проводящих свойств подложки, к
которой были прикреплены молекулы белкового комплекса. Физики перебрали
различные варианты материалов для подложки, в том числе металлы и чистый
кремний.
Лучше
всего себя показал кремний с большим числом примесей в виде атомов бора или
алюминия, который относится к группе полупроводников так называемого p-типа.
Атомы бора и алюминия, интегрированные в кристалл кремния, создают области с
избыточным положительным зарядом, так называемые «дырки», улучшающие
электропроводность кремния.
Подобрав
подходящий материал, ученые собрали экспериментальную «зеленую» солнечную
батарею. Для этого они вырастили листья шпината, а извлекли из них белок PS1 и
нанесли его раствор на пластинку кремния. Затем этот «бутерброд» помещался в
вакуумную камеру для удаления молекул воды с поверхности белковой пленки.
По
словам физиков, один квадратный сантиметр такого покрытия вырабатывает около
милливольта электричества с напряжением в 0,3 вольт, что превосходит мощность
предыдущих разработок в 2,5-3 раза. Как утверждают Клиффел
и его коллеги, дальнейшее развитие этой технологии позволит использовать такие
«зеленые» батареи для зарядки или питания мобильных электронных устройств.
источник - http://ria.ru/science/20120904/743125890.html
Ученые добились
рекордной эффективности процесса искусственного фотосинтеза
Процесс
искусственного фотосинтеза всегда являлся чем-то вроде "священного
Грааля" для исследователей, разрабатывающих технологии получения солнечной
энергии. Именно поэтому многие группы ученых ведут разработку различных
катализаторов, расщепляющих молекулы воды под воздействием солнечного света. На
этот раз особо отличилась группа ученых из шведского Королевского
Технологического института KTH, которые так же разработали состав катализатора,
эффективно расщепляющего молекулы воды. Но сенсация здесь заключается не только
в очередном методе создания химической реакции, что уже неоднократно было
достигнуто в лабораторных условиях. В данном случае, новый катализатор,
разработанный шведскими учеными, имеет очень высокий коэффициент эффективности,
вплотную приближающийся к аналогичным показателям процессов естественного
фотосинтеза.
В
естественных условиях процесс фотосинтеза обеспечивает "ломку"
порядка 400 молекул воды в секунду на одну условную единицу площади
катализатора. Но когда аналогичный процесс пытаются
воспроизвести в искусственных лабораторных условиях коэффициент эффективности
падает сразу в сотни раз по сравнению с эффективностью естественного
процесса. Именно низкая эффективность до настоящего времени сдерживала широкое
распространение технологий фотосинтеза в "солнечной" энергетике,
несмотря на то, что существуют процессы прямого получения водорода из воды
методом фотосинтеза.
Новый
катализатор, обеспечивающий высокую эффективность преобразования солнечной
энергии в химическую энергию, имеет весьма сложное молекулярное строение.
Основой его являются молекулы бипиридин-дикарбоновой
кислоты (bipyridine dicarboxylic
acid), в которые был искусственно внедрен атом
металла рутения, а для увеличения эффективности катализатора к полученной
молекуле были "пристыкованы" молекулы изохинолина. Полученный катализатор демонстрирует
эффективность, равную расщеплению 300 молекул воды в секунду на одну условную
единицу площади катализатора, в то время как показатель естественных процессов
находится в диапазоне от 100 до 400 молекул в секунду.
Стоит
отметить, что благодаря такой высокой эффективности этого катализатора и новых
катализаторов, созданных на его основе, позволят процессам получения
"солнечной" энергии и "солнечного" топлива всерьез конкурировать
с использованием ископаемого топлива буквально уже через несколько лет.
Ученые:
искусственный фотосинтез скоро заменит нефть и газ
15 сентября 2015
г.
Новый
рекорд эффективности искусственного фотосинтеза – 14% — вплотную приближает
человечество к замене топлива на основе нефти и газа на водород, вырабатываемый при помощи фоторасщепителей
воды, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
"Световые
генераторы водорода, построенные на базе полупроводников, станут более
выгодными для производителей топлива и его потребителей, чем ископаемые
источники энергии, если им удастся достичь отметки в 15% КПД. Это соответствует
цене одного килограмма водорода в 4 доллара США. Мы уже почти подобрались к
этой отметке, и небольшие изменения в работе нашего изобретения позволят ему
поглощать до 17% солнечной энергии", — заявил Томас Ханнаппель
(Thomas Hannappel) из
Технического университета Ильменау (Германия).
Как
утверждает Ханнапель, его команде удалось побить
предыдущий рекорд в эффективности прямого запасания солнечной энергии в виде
молекул водорода – 12,4%, который был установлен еще 17 лет назад физиками из
американской Лаборатории возобновляемой энергии в городе Голден.
Им
удалось преодолеть эту отметку и вплотную приблизиться к психологически важным
15% КПД, используя своеобразный "бутерброд" из почти десяти слоев
полупроводниковых материалов, алюминия, фосфора и специального катализатора на
основе редкоземельного металла родия.
Подобная
структура, как объясняют ученые, обладает еще одним ключевым преимуществом,
помимо высокого КПД, по сравнению с другими видами солнечных расщепителей воды – она почти не разрушается при работе и
способна проработать около 40 часов без заметного снижения в количестве
вырабатываемого водорода.
В
ближайшее время авторы статьи планируют улучшить структуру соединений между
слоями этого "бутерброда", что должно снизить потери энергии и помочь
ученым достичь отметки в 15% или даже 17% КПД. После этого, по словам Ханнапеля, можно будет задуматься о коммерциализации этой
технологии и начала вытеснения углеводородов с энергорынка.