Водород можно получить, разделив воду (H2O) на водород (H2) и кислород (O2). Есть много способов сделать это, но один из самых чистых и, следовательно, наиболее привлекательных — это использование солнечных батарей. Эти устройства улавливают энергию солнечного света, чтобы вызвать реакцию расщепления воды.
Солнечный свет имеет спектр, каждый цвет которого имеет разную длину волны. Солнечные элементы должны поглощать свет определенной длины волны, в зависимости от того, сколько энергии необходимо элементу для запуска реакции.
Чем большую часть спектра он захватывает, тем больше водорода он производит. К сожалению, большинство клеток поглощают только более короткие волны света, соответствующие более высокой энергетической области видимого света ниже области красного света.
Это означает, что, хотя можно использовать такие цвета, как синий и зеленый свет, остальное тратится впустую.Теперь исследователи из Университета Кюсю в Японии и его Института углеродно-нейтральных исследований энергии (I2CNER) потенциально решили эту проблему.
Они изобрели устройство, работающее на ближнем инфракрасном (NIR) свете — части спектра, невидимой невооруженным глазом, с длинами волн больше, чем видимый красный свет. Таким образом, они позволили собрать более широкий спектр света, включая УФ, видимый и ближний инфракрасный диапазоны.
В их конструкции умело использован химический состав рутения, тяжелого металла, связанного с железом. Об их достижении было сообщено в Angewandte Chemie International Edition.Конкретные металлоорганические гибридные материалы хорошо улавливают свет, что помогает их электронам «прыгать» на орбитали в органических частях материалов, прикрепленных к металлическому центру. В солнечных батареях это первый шаг в производстве водорода, поскольку электроны являются движущей силой химии.
Однако скачок между орбиталями обычно настолько велик, что только ультрафиолет и область более высокой энергии видимого света имеют достаточно энергии, чтобы стимулировать его. Красный, ближний ИК-диапазон и даже более длинный ИК-свет просто отражается назад или проходит через устройства, а их энергия остается неиспользованной.
Дизайн Кюсю отличается. «Мы ввели новые электронные орбитали в атомы рутения», — объясняет автор исследования профессор Кен Сакаи. «Это похоже на добавление ступенек к лестнице — теперь электронам в рутении не нужно так далеко прыгать, поэтому они могут использовать более низкие энергии света, такие как красный и ближний ИК-диапазон. Это почти вдвое увеличивает количество фотонов солнечного света, которые мы можем собрать. "Хитрость заключается в том, чтобы использовать органическое соединение — гексагональные кольца углерода и азота — чтобы связать три атома металла в одну молекулу.
Фактически, это не только создает эти новые «ступеньки» — отсюда и возможность использовать красный и ближний инфракрасный свет — но также делает реакцию более эффективной за счет пространственного расширения светособирающей части молекулы. Таким образом, производство водорода ускоряется.
«Потребовались десятилетия усилий по всему миру, но нам, наконец, удалось добиться сокращения расхода воды для выделения H2 с помощью ближнего инфракрасного излучения», — говорит Сакаи. «Мы надеемся, что это только начало — чем больше мы понимаем химию, тем лучше мы можем проектировать устройства, которые сделают чистые водородные накопители энергии коммерческой реальностью».