Новый полимер сохраняет световую энергию в течение нескольких дней и выделяет ее в виде водорода — даже ночью и при наличии облаков.
Улавливать энергию солнечного света, хранить ее в течение нескольких дней, а затем при необходимости получать к ней доступ в виде водорода — именно этого достигает новый материал, разработанный исследователями из университетов Ульма и Йены.
Подробности читайте после рекламы
Что особенного: система не использует солнечный свет для выделения водорода. Его можно использовать ночью или когда небо облачно.
Команда опубликовала результаты в специализированном журнале. Природные коммуникации.
Солнечная батарея на молекулярном уровне
Сердцем системы является водорастворимый сополимер. Это большая молекула, состоящая из двух разных органических строительных блоков.
Один строительный блок делает полимер водорастворимым. Другой — так называемый виологен — может поглощать и удерживать электроны, подобно крошечной батарее.
«Вы можете представить это как комбинацию солнечного элемента и батареи на молекулярном уровне», — объясняет Свен Рау, профессор неорганической химии в Ульмском университете.
Подробности читайте после рекламы
На первом этапе видимый свет попадает на полимер в водном растворе. Специальный краситель на основе рутения улавливает энергию света и переносит электроны на элементы виологена.
Именно так заряжается полимер – с эффективностью более 80 процентов. Измерения в лаборатории показывают: даже после 72 часов пребывания в полной темноте полимер практически полностью сохраняет свой заряд.
Водород по требованию – без солнечного света
Если необходим водород, для его выделения достаточно простого химического трюка. Исследователи добавили в раствор кислоту и катализатор, что снизило значение pH.
Запасенные электроны в конечном итоге объединяются с протонами, образуя водород. Этот шаг происходит совершенно без света.
«При необходимости мы извлекаем химическую энергию в виде водорода. Для этого накопленные электроны специально используются снова», — говорит Ульрих С. Шуберт, руководитель Института органической химии и макромолекулярной химии Йенского университета имени Фридриха Шиллера.
Используя наночастицы платины в качестве катализатора, система преобразует до 72 процентов накопленных электронов в водород.
Изменение цвета показывает состояние зарядки
Практическая деталь: статус зарядки можно прочитать невооруженным глазом. При заряде раствор светится фиолетовым. Если полимер выделяет свою энергию в виде водорода, цвет меняется на желтый. Если затем раствор нейтрализовать и снова облучить светом, фиолетовый цвет возвращается – система снова готова к использованию.
Эта переработка осуществляется с помощью простого переключателя pH без какой-либо сложной обработки.
Однако лабораторные данные показывают и ограничения: во втором раунде эффективность производства водорода упала с 72 до 55 процентов. После четырех циклов этот показатель составил лишь около 32 процентов.
Исследователи видят причину главным образом в повторяющихся изменениях pH, которые воздействуют на катализатор, а не на сам полимер.
Большой потенциал, но все еще вопросы без ответов
Несмотря на эти ограничения, полимер значительно превосходит сопоставимые системы хранения. Его плотность хранения более чем в шесть раз выше, чем у некоторых металлоорганических каркасных соединений, ранее испытанных для аналогичных целей.
«Результаты открывают новые перспективы для экономически эффективных и масштабируемых технологий хранения солнечной энергии и служат важным строительным блоком на пути к устойчивой энергетической экономике, основанной на использовании химических веществ», — говорит Шуберт.
В качестве возможной области применения исследователи упоминают производство экологически нейтральной стали, которая опирается на надежные поставки зеленого водорода.
Однако еще предстоит проделать работу, прежде чем его можно будет использовать на практике: должна повыситься долговременная стабильность катализаторов, а процесс должен проявить себя в более широком масштабе.
