Рекорд эффективности солнечного расщепления воды

Преимущества водорода как источника энергии в том, что при его сжигании не выделяется вредных для природы веществ. Кроме того водород не портится, его можно запасать на неограниченный срок. Однако эти преимущества имеют смысл лишь в том случае, если для производства водорода используется эффективный и СО2-нейтральный метод. Солнечное расщепление воды именно такой способ, так как он использует лишь солнечный свет и воду, наиболее распространенный ресурс на нашей планете.

Расщепление воды может осуществляться путем электролиза с использованием солнечных ячеек, как источника электроэнергии. Но низкая эффективность и высокая стоимость делает такие системы малопривлекательными. Альтернативный путь – непосредственное преобразование с использованием фотоэлекрохимических (photoelectrochemical, PEC) ячеек более эффективен, так как сочетает функции солнечного элемента и электролизера в одном устройстве.

Типичная PEC-ячейка состоит из помещенных в водный электролит электродов: поглощающего свет полупроводникового фотоанода и противоположного металлического катода. Фотоэлектроны по электрической цепи перемещаются к катоду, где под их действием выделяется водород. В таких системах первостепенное значение имеет выбор материала для фотоэлектрода, который должен удовлетворять ряду специфических требований.

Группа ученых из Национального института науки и технологии в Ульсане (Ulsan National Institute of Science and Technology), Университета науки и технологии в Пхохане (Pohang University of Science and Technology) и Токийского университета (University of Tokyo) пришла к выводу, что большинству требований удовлетворяет гематит, минерал железа Fe2O3, одна из главнейших железных руд. Однако минерал обладает низкой проводимостью, что снижает эффективность его использования. Чтобы улучшить свойства гематита по переносу заряда ученые воздействовали на него высокой температурой и получили оригинальную червеобразную наноструктуру, которую обогатили катализаторами.

В результате ученым удалось добиться рекордной и стабильной производительности фотоанода 4,32 мА/см2, что составляет около 34% от максимального теоретического предела ожидаемого для выбранного материала. Общая эффективность использования солнечного света для расщепления воды составила 5,3%. Прежнее высшее достижение в технологии PEC–ячеек принадлежало исследовательской группе из Лозанны, Швейцария. Их показатель эффективности – 4,2%.

Как заявил один из авторов работы профессор Джэ Сун Ли (Jae Sung Lee): «Для практического применения технологии расщепления воды солнечной энергией необходима эффективность 10%. Впереди еще долгий путь, чтобы достичь этого уровня. Тем не менее, наша работа стала важной вехой, превысив порог 5%, который был психологическим барьером в этой области».

Работа исследовательской группы финансировалась из Корейского национального исследовательского фонда, который поддерживает совместные проекты Кореи, Китая и Японии.