Красноярские учёные разработали новую технологию получения водорода

12.07.2024

Солнце, вода и… оксид титана. Эти составляющие позволяют нашим учёным получать экологически чистое топливо — водород. Исследователи из Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук (КНЦ СО РАН) разработали новую технологию, которая делает процесс производства современного энергоресурса максимально эффективным и относительно недорогим. А это значит, что появляется перспектива для его внедрения в российскую экономику. «Городские новости» пообщались с экспериментаторами и узнали подробности исследования.

Несмотря на то что водород называют топливом будущего, использовать этот газ в качестве энергоносителя начали ещё 200 лет назад. Но тогда добывать его было сложно и дорого. А миру, который как раз в это время переживал промышленную революцию, требовалось всё больше дешёвых ресурсов для развития.

В конце ХIХ века прогрессивное человечество научилось перегонять нефть и начало применять в качестве горючего продукты из этого ископаемого сырья. Однако во второй половине ХХ столетия стало понятно, что углеводороды оказывают слишком большое негативное воздействие на экологию и постоянно дорожают. Мировые энергетические кризисы, нефтяные войны и желание развитых стран получить топливный суверенитет стали поводом к тому, чтобы наука занялась поиском альтернативы.

— Водородное топливо — это чистый водород, который используется в различных устройствах и двигателях внутреннего сгорания, — рассказывает Николай Зосько, аспирант, младший научный сотрудник красноярского Института химии и химической технологии СО РАН. — Преимущество такого источника энергии — в его высокой эффективности и, если говорить об использовании его в транспорте, в бесшумности работы двигателя. Машины, работающие на водороде, способны проезжать в три раза большее расстояние на меньшем количестве топлива по сравнению с бензиновыми автомобилями. При этом они так же экологичны, как электрокары, а их заправка занимает меньше времени.

Уже сегодня крупные мировые автопроизводители выпускают легковые машины и даже автобусы, работающие на новом виде топлива, а также строят водородные заправки. Пока эти проекты не рассчитаны на массового потребителя, а больше похожи на презентацию технического потенциала компаний. Тем не менее учёные продолжают исследования, чтобы сделать производство этого газа более дешёвым. В России, например, принята программа, по которой к 2035 году в стране должны появиться коммерческие проекты производства водорода, ориентированные как на экспорт, так и на внутренний рынок. В нашем государстве газ хотят использовать в различных секторах экономики: нефтехимической, электроэнергетической, химической и металлургической промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и транспорте.

Кстати, первым владельцем легкового автомобиля на водородном топливе в России стал красноярец Владимир Седов. Он купил японскую машину.

Энергия воды

На сегодня существует несколько способов получения водорода: из природного газа, угля, биомассы и даже из бытового мусора и отходов металлургической промышленности. Но самая экологически чистая технология производства H2 — из воды. Она же пока и самая дорогая.

Исследователи Красноярского научного центра СО РАН нашли оригинальный способ снижения себестоимости. Метод, который используют наши учёные, широко известен как фотоэлектрохимическое разложение воды. Оно происходит в специальных устройствах — фотоэлектрохимических ячейках, где фотоэлектроды поглощают солнечные лучи и расщепляют воду на водород и кислород.

Солнечная энергия бесплатна. Уже этот факт позволяет снизить затраты на производство газа. Однако в процессе выработки водорода традиционные металлические фотоэлектроды быстро приходят в негодность под действием коррозии, так как находятся в прямом контакте с жидкостью. В качестве альтернативы красноярские учёные предлагают при фотохимическом способе получения H2 использовать оксид титана.

— Соединение химически стабильно и устойчиво к коррозии, что обеспечивает его долговечность в процессе работы, — объяснил Николай Зосько. — Данный материал нетоксичен и обладает низкой стоимостью. Эти уникальные свойства делают его одним из наиболее перспективных катализаторов для фотоэлектрохимического разложения воды.

Солнце для нанотрубок

По словам Николая Николаевича, у оксида титана есть существенный недостаток. Он заключается в том, что соединение не слишком эффективно поглощает солнечный свет, чтобы производить достаточное количество энергии для реакции и быть стабильным.

Чтобы оксид титана в фотоэлектрохимических ячейках работал с максимальной отдачей, красноярские учёные используют его в виде фотонных кристаллов — материала с упорядоченной структурой, который позволяет человеку регулировать показатели преломления света. Фотонные кристаллы состоят из наноструктур, в экспериментах наших исследователей — из нанотрубок. Как поясняет Николай Зосько, при работе над проектом красноярским учёным пришлось решить сложную задачу — наладить процесс создания самих фотонных кристаллов из оксида титана.

— В основном для их получения используются достаточно дорогие и трудоёмкие методы, — уточняет Николай Николаевич. — В нашей же работе мы применили простую и дешёвую технологию: подготавливали своеобразный рельефный трафарет и выращивали нанотрубки при помощи переменного тока. Регулируя величину напряжения и длительность импульса, можно менять характеристики фотонного кристалла, что значительно отражается на его оптических свойствах.

При таком способе получения нанотрубки становятся похожи на состоящий из сегментов, расширяющийся и сужающийся по длине стебель бамбука. Такие кристаллы показали свою эффективность: с их помощью из ультрафиолета можно получать в три раза больше энергии, чем при использовании гладких нанотрубок, и в 1,3 раза больше энергии из тех частей спектра, которые человек может видеть невооружённым глазом. Это значит, что пропорционально увеличивается и количество выделяющегося водорода.

В этой технологии есть и ещё один важный момент — при производстве водорода из воды побочным продуктом становится чистый кислород, он выделяется в окружающую среду и не загрязняет, а насыщает атмосферу.Результаты исследования опубликованы в серии статей. С самыми свежими выводами красноярских учёных можно познакомиться в издании «Журнал Сибирского федерального университета. Химия».

Нюанс

«Нано» в переводе с греческого означает «карлик» и используется как приставка для образования наименования одной миллиардной части какой-либо единицы измерения. Например, нанометр — это одна миллиардная часть метра. Нанотрубки — разновидность материалов и частиц нитевидной формы диаметром от 0,3 до 100 нанометров. Они могут иметь форму однослойных или многослойных бесшовных цилиндров, рулонов или полых огранённых стержней.

Акцент

Водородное топливо может использоваться в автомобилях как с двигателями внутреннего сгорания, так и с электрическими моторами. На последних устанавливаются топливные элементы, которые из H2 вырабатывают электричество, и уже оно заставляет детали двигателя вращаться.

Материал подготовлен совместно с ФИЦ КНЦ СО РАН при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».