По некоторым оценкам, количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за один год превышает сумму всей энергии, которую мы могли когда-либо производить, используя невозобновляемые ресурсы.
Технология, необходимая для преобразования солнечного света в электроэнергию, быстро развивалась, но неэффективность хранения и распределения этой энергии остается важной проблемой, делает солнечную энергию нецелесообразной в больших масштабах. Однако прорыв исследователей из Университета Вирджинии, Калифорнийского технологического института и Национальной лаборатории Аргонная Департамента энергетики США, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной лаборатории Брукхейвена может устранить критическую препятствие в процессе – открытие, которое представляет гигантский шаг к чистому энергетического будущего.
Одним из способов задействовать солнечную энергию является использование солнечного электричества для разделения молекул воды на кислород и водород. Водород, образующийся в процессе, сохраняется в качестве топлива в форме, которую можно переносить из одного места в другое и использовать для получения энергии по требованию. Чтобы разделить молекулы воды на составные части, необходим катализатор, но каталитические материалы, которые в настоящее время используются в процессе, также известные как реакция выделения кислорода, недостаточно эффективны, чтобы сделать процесс практичным.
Однако, используя инновационную химическую стратегию, разработанную в UVA, группа исследователей во главе с преподавателями химии Колледжа и Высшей школы искусств и наук Сен Чжан и Т. Брентом Анна создали новую форму катализатора с использованием элементов кобальта и титана. Преимущество этих элементов заключается в том, что они имеют гораздо большую природу, чем другие часто используемые каталитические материалы, содержащие драгоценные металлы, такие как иридий или рутений.
“Новый процесс предусматривает создание активных каталитических площадок на атомном уровне на поверхности нанокристаллов оксида титана – методики, производит крепкий каталитический материал и лучший при инициировании реакции выделения кислорода”. – сказал Чжан. «Новые подходы к эффективным катализаторов реакций выделения кислорода и расширенное их фундаментальное понимание являются ключевыми для возможного перехода к масштабному использованию возобновляемой солнечной энергии.
“Эта работа является прекрасным примером того, как оптимизировать эффективность катализатора для технологий чистой энергии путем настройки наноматериалов в атомном масштабе”.
По словам Ганной, “это нововведение, сосредоточено на достижениях лаборатории Чжан, представляет новый метод совершенствования и понимания каталитических материалов, что приводит усилия, включающие интеграцию передового синтеза материалов, характеристику атомного уровня и теорию квантовой механики”.
«Несколько лет назад UVA присоединился к консорциуму MAXNET Energy, состоящий из восьми институтов Макса Планка (Германия), UVA и Кардиффского университета (Великобритания), которые объединили усилия международного сотрудничества, сосредоточены на электрокаталитическая окислении воды. MAXNET Energy стал началом текущих совместных усилий между моей группой и лабораторией Чжан, которая была и остается плодотворной и продуктивной сотрудничеством », – сказала Гунное.
С помощью Национальной лаборатории Аргонна и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и их ультрасовременных потребительских сооружений с синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии, которая использует излучение для изучения структуры вещества на атомном уровне, исследовательская группа обнаружила что катализатор имеет четко определенную поверхностную структуру, что позволяет им четко видеть, как катализатор развивается в то время, когда происходит реакция выделения кислорода, и позволяет им точно оценить его эффективность.
“В работе использовались рентгеновские лучи от Advanced Photon Source и Advanced Light Source, включая часть программы” быстрого доступа “, выделенную для быстрого цикла обратной связи для изучения новых или актуальных научных идей”, – рентген Аргонна сказал физик Хуа Чжоу, соавтор статьи . “Мы очень рады, что оба национальные научные потребительские объекты могут существенно способствовать такой умной и аккуратной работе по расщеплению воды, которая обеспечит скачок вперед для чистых энергетических технологий”.
Как Advanced Photon Source, так и Advanced Advanced Light Source является Министерством энергетики США Управлением научных служб пользователей, расположенными в национальных лабораториях Департамента энергетики аргонно и Лоуренса Беркли, соответственно.
Кроме того, исследователи из Caltech, используя недавно разработанные методы квантовой механики, смогли точно предсказать скорость образования кислорода, вызванного катализатором, обеспечило команде детальное понимание химического механизма реакции.
“Мы разрабатываем новые методы квантовой механики, чтобы понять механизм реакции выделения кислорода уже более пяти лет, но во всех предыдущих исследованиях мы не могли быть уверены в точном структуре катализатора”, – сказал Уильям А. Годдард III, профессор химии, материаловедения и прикладной физики в Caltech и одном из главных исследователей проекта. «Катализатор Чжана имеет четко определенную атомную структуру, и мы обнаруживаем, что наши теоретические результаты, по сути, точно согласуются с экспериментальными наблюдаемыми. Это обеспечивает первую мощную экспериментальную проверку наших новых теоретических методов, которую мы теперь можем использовать для прогнозирования еще лучших катализаторов, которые можно синтезировать и проверять. Это является важной вехой в глобальной чистой энергии “.
“Эта работа является прекрасным примером совместных усилий UVA и других исследователей, направленных на достижение чистой энергии и захватывающих открытий, которые вытекают из этой междисциплинарного сотрудничества”, – сказала Джил Вентон, председатель химического департамента UVA.