ФОТОЛИЗ воды КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Доктор технических наук И. М. ИБРАГИМОВ (Академия "МНЭПУ")
Общеизвестно, что энергетика оказывает мощное воздействие на окружающую среду: при эксплуатации тепловых и атомных электростанций происходят значительные тепловые выбросы (градирни, пруды-охладители и др.), так как КПД преобразования тепловой энергии в электрическую составляет в среднем 30-45%. Поэтому возникает необходимость разработки и освоения новых экологически чистых источников энергии, одним из которых является солнечное излучение.
Однако солнечную энергию невозможно использовать в качестве универсального источника энергии, как например, бензин или природный газ. Но с её помощью можно получать водород, который станет связующим звеном (дополнительным видом топливного энергоносителя) между солнечным источником энергии и потреби-
телем1. Схема такой солнечно-водородной энергетики, включающей фотохимическое разложение воды с последующим транспортом и преобразованием водородного топлива в удобную для потребителя форму энергии, представлена на рис 1.
Объединение солнечной энергии и водорода как аккумулирующего топлива позволяет в значительной степени ослабить серьёзные недостатки солнечной энергии, пока ещё ограничивающие её широкое применение: непостоянство во времени (суточные, сезонные и погодные колебания) и относительно невысокая плотность солнечного энергетического потока, которая сильно изменяется в зависимости от географической широты.
1 Бокрис Д.О., Везироглу Т.Н., Смит Д. Солнечно-водородная энергия: сила, способная спасти мир. М.: МЭИ, 2002.
Фотолиз воды I"
Вода
Водород
Рис. 1.
Схема солнечно-водородной энергетики.
Технологические, бытовые потребители, транспорт
Хранение водорода
Кислород
Вода
Кислород
Топливные элементы
Электроэнергия
Вода
Кислород
Окружающая природная среда
26
© И.М. Ибрагимов
Можно выделить следующие достоинства водородного топлива:
1) высокая энергоёмкость: в расчёте на единицу массы водород превосходит все другие природные топлива (природный газ в 2.6 раза, нефть в 3.3 раза);
2) экологическая чистота: единственным продуктом его окисления является вода (оксиды азота, являющиеся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, образуются в ничтожных количествах);
3) практически неисчерпаемые запасы дешёвого сырья: в воде содержится более 10% (по массе) водорода;
4) возможность использования топливных элементов, которые позволяют с большой эффективностью получать электроэнергию (КПД современных топливных элементов достигает 80%);
5) водород является также эффективным топливом. Он может быть конвертирован в другие формы энергии (механическую и электрическую) с достаточно высоким КПД (например, в автомобилях). Для сверхзвуковых самолётов водород оказывается на 38% эффективнее реактивного топлива (тратится меньше топлива и его хватает на большее расстояние).
Использование водорода в энергетике имеет кроме уже отмеченного экологического преимущества ещё один важный положительный аспект. Поступление солнечной энергии не нарушает теплового баланса Земли. В то же время использование таких природных энергоресурсов как газ, нефть, уголь, торф, горючие сланцы приводит к выделению в окружающую среду тепловой энергии, аккумулированной под воздействием солнечного излучения миллионы лет назад, что нарушает сложившийся тепловой баланс планеты.
Несмотря на все указанные преимущества водорода в качестве универсального топлива, остаётся открытым вопрос о способе его получения из воды. Водород можно получать четырьмя различными способами: прямым
нагревом, термохимическим, электролитическим и фотолитическим.
Экологически приемлемым является фотолитический способ, в котором только солнечное излучение используется для непосредственного разложения воды на водород и кислород (без высоких температур или электричества). При поглощении фотонов солнечного излучения молекула воды сама распадается на водород и кислород.
Чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (300-1000 нм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, способного привести к её фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 200 нм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием её электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Таким образом, эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе четырёх-квантовой схемы (4ку) фотокаталитического процесса, как это происходит в природном фотосинтезе2.
Фотокаталитическое разделение зарядов в присутствии материалов донора (б) и акцептора (А), а также фотокатализатора (ФК) соответствует следующему уравнению:
4Б + 4А + 4ку ^ 4Б+ + 4А-.
Таким образом, суммарный процесс фоторазложения воды имеет следующий вид:
2Н20 + 4ку ^ 2Н2 + 02.
В настоящее время разрабатываются два типа искусственных фотоката-
2 Балашов К.П. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 8.
литических систем: полупроводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора используют полупроводниковые материалы, в частности, широко распространённый в природе диоксид титана ТЮ2. С помощью нанотрубок из диоксида титана было создано устройство, способное поглощать до 97% ультрафиолетовых лучей из солнечного света и разлагать воду с эффективностью 6.8%.
Весьма интересные свойства обнаружены у полупроводника дисилицида титана (Т1Б12), который также может быть использован в качестве фотокатализатора. Этот материал позволяет разделять и отдельно хранить выделяющиеся кислород и водород. Последнее обстоятельство решает проблему, характерную для тех методов разложения воды, использование которых приводит к образованию взрывоопасной смеси двух газов.
Особенности успешной работы такого катализатора заключаются в тонких слоях (А) диоксида титана ТЮ2 и диоксида кремния БЮ2, образующихся на поверхности Т1Б12 (рис. 2). Эти слои защищают катализатор от отравления, связанного с его дальнейшим окислением и обусловливают формирование каталитически активных центров и Б2), облегчающих протекание реакции.
Оксидные слои способствуют также приемлемому решению проблемы разделения водорода и кислорода, кото-
рые адсорбируются и удерживаются на поверхности катализатора (В и С). Однако эти газы способны высвобождаться в различных условиях: водород выделяется при комнатной температуре, а кислород - при нагревании катализатора до 100°С (без света).
Большой интерес представляет способ повышения эффективности полупроводниковых фотокаталитических систем, основанный на использовании гибридной схемы, состоящей из нано-частиц диоксида титана с платиной и белков галобактерий (бактерио-родопсина), содержащихся в солёной морской воде. Под воздействием солнечного излучения происходят колебания клеточной мембраны белков с выделением положительно заряженных протонов, которые, взаимодействуя с свободными электронами полупроводниковых наночастиц, образуют молекулярный водород.
В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора (ФК), доноров (Б) и акцепторов (А) электрона используют химические соединения, удовлетворяющие определённым требованиям. Фотокатализаторы должны обеспечивать интенсивное поглощение солнечного излучения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбуждённые состояния (ФК), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электронов:
Ьч
Н,0
Рис. 2.
Схема работы фотокатализатора на основе дисилицида титана.
Образование молекулярного водорода
02 + 4Н+ Выделение кислорода
2НоО
Рис. 3.
Схема искусственного фотосинтеза.
В настоящее время показана возможность использования в качестве компонентов молекулярных фотокаталитических систем достаточно большого числа химических соединений различной природы: системы на основе органических красителей, соединения переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.
Трудность создания молекулярных фотокаталитических систем заключается в разработке методов предотвращения реакции рекомбинации продуктов фоторазделения зарядов (доноров и акцепторов):
Б+ + А- ^ Б + А,
которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восстановления воды.
Такая задача может быть решена при переходе к разложению воды на водород и кислород на молекулярном уровне без участия доноров и акцепторов (по аналогии с природным фотосинтезом). Этот процесс, который называется искусствен-
ным фотосинтезом, происходит с использованием молекулярных наноструктур для поглощения света и пространственного разделения положительных и отрицательных зарядов.
Одним из наиболее эффективных является процесс фотолиза, состоящий из трёх стадий разложения воды на водород и кисло-род3, показанный на рис. 3.
На первой стадии процесса происходит поглощение молекулы воды синтезированным комплексным химическим соединением, который состоит из атомов рутения Ru и органических молекул, представляющих аналог природного хлорофилла. При этом протоны H+ из молекул воды переходят на органическую часть комплексного соединения, а гид-роксильные группы OH- присоединяются к комплексообразующим элементам - атомам Ru.
На второй стадии процесса при нагреве комплексного соединения выделяются электроны, которые захватываются свободными протонами и превращаются в молекулы водорода H2, выделяющиеся из раствора в виде газа.
На третьей стадии процесса под воздействием фотонов солнечного излучения гидроксильные группы OH- передают свои электроны комплексному соединению и окисляются до перокси- £ да водорода H2O2, являющимся весь- -ма нестабильным веществом, которое |
о
легко разлагается на воду и кислород. §
Дальнейшее совершенствование про- °
цессов фотолиза воды позволит по- §
высить их эффективность и произво- if
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.