Учёные из Столичного университета Осаки (Osaka Metropolitan University) разработали систему искусственного фотосинтеза, которая превращает солнечный свет, воду и углекислый газ в химическое топливо и при этом не использует блок управления с аккумулятором. Такой блок обычно необходим для постоянной подстройки электролизёра под изменчивые условия освещения и окружающей среды. В японской схеме регулирование осуществляется самим электролизёром за счёт процессов естественного нагрева.

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Источник изображения: Osaka Metropolitan University

Традиционно в подобных установках солнечные панели питают только электролизёр, тогда как электроника с функцией MPPT — отслеживания точки максимальной мощности — подстраивает напряжение и ток под меняющуюся освещённость. Это необходимо потому, что солнечный свет поступает на Землю неравномерно: на это влияют облачность, угол падения лучей и множество других факторов. В результате нагрев постоянно меняет режим работы системы. Обычно эта проблема решается с помощью электроники с автономным аккумуляторным питанием, что позволяет гарантировать стабильность характеристик электролизёра. Как следствие, платформа становится сложнее и дороже.

Новая разработка решает эту задачу иначе: исследователи встроили твёрдый электролит с функцией авторегулирования непосредственно в электролизёр. Когда поток солнечной энергии усиливается, электролизёр нагревается, его электрическое сопротивление снижается, и ток протекает легче. Таким образом, устройство самостоятельно изменяет свои электрические характеристики и фактически выполняет функцию MPPT без внешней электроники и аккумуляторов.

Испытания на открытом воздухе показали, что система стабильно производит муравьиную кислоту из CO₂ и воды даже при значительных колебаниях солнечного света. По словам авторов, такой подход может упростить будущие установки искусственного фотосинтеза и приблизить их к бытовым или небольшим автономным решениям, например для хранения солнечной энергии в виде жидкого химического топлива. Пока это не готовая промышленная установка, но важный шаг к более дешёвым и менее сложным системам производства «солнечного топлива».

В 70-80-е годы была теория заговора, что корпорации скрывают технологии водородного транспорта, чтобы зарабатывать на нефти. Сегодня получение водорода — это насущная потребность, а корпорации, почему-то, не достают из пыльных архивов секретные разработки. Всё потому, что получение водорода из воды как было дорогим, так и остаётся — в том числе, по причине использования дорогих катализаторов. Учёные из США пытаются пробить эту стену. И у них получается.

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Слева классический катализатор, справа — новый. Источник изображения: Washington University in St. Louis

Открытие сделали исследователи из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis) — они представили новый катализатор для электролиза воды и получения водорода. Традиционно для этого используются металлы платиновой группы, что делает производство водорода невыгодным для промышленности. Учёные из США смогли обойти этот момент, создав эффективный и недорогой катализатор без драгоценных металлов.

Вместо платины команда использовала гетероструктуру на основе фосфидов рения и молибдена (Re²P/MoP). Такая комбинация обеспечивает одновременно быстрое расщепление молекул воды и эффективное накопление и отделение водорода на поверхности катализатора. Цель проекта — доступная по цене выработка «зелёного» водорода, производимого за счёт электроэнергии от солнечных и ветровых электростанций.

Ключевой особенностью разработки стало управление сетью водородных связей на границе «катализатор–электролит». Исследователи обнаружили, что именно структура перехода от одного материала к другому определяет скорость переноса протонов и кинетику выделения водорода. В опубликованной работе в издании Journal of the American Chemical Society говорится, что новый катод продемонстрировал чрезвычайно низкое межфазное сопротивление и высокую скорость реакции. Система работала свыше 1000 часов при промышленных плотностях тока 1–2 А/см², что можно считать очень серьёзным показателем для оценки долговечности электролизёров без платины.

Представленная технология и композитный катализатор без драгоценных металлов хорошо показали себя в лаборатории. Теперь учёные будут пытаться масштабировать разработку до возможности производить водород в промышленных масштабах, а это будет уже совсем другая история.

Учёные из немецкого института Фраунгофера по солнечным энергетическим системам (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems) сообщили о новом мировом рекорде эффективности преобразования солнечной энергии в водород — 31,3 %. Это означает, что почти треть всей энергии падающего солнечного света была непосредственно превращена в химическую энергию водорода, а это сравнительно простой путь получения данного топлива.

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Источник изображения: Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems

Результат был получен на экспериментальной установке фотоэлектролизного типа, в которой солнечные элементы напрямую питают электролизёр, расщепляющий воду на кислород и водород. Работа опубликована в журнале Communications Engineering и способна вызвать большой интерес в энергетическом сообществе как важный шаг к более эффективному производству «зелёного» водорода.

Ключевым элементом установки стала разработанная институтом система микроконцентрации солнечных лучей на миниатюрных фотоэлементах электролизёров (micro-CPV). Она использует массив миниатюрных линз Френеля, которые фокусируют солнечный свет на сверхэффективных четырёхпереходных фотоэлементах площадью всего около 7 мм² каждый. Материал фотоэлементов относится к III–V группам таблицы Менделеева. Такие многослойные полупроводниковые структуры способны поглощать разные участки солнечного спектра, по КПД значительно превосходя традиционные кремниевые панели. Электрическая энергия затем подаётся на два последовательно соединённых PEM-электролизёра (с протонно-обменными мембранами), обеспечивающих высокую плотность тока и быстрое выделение водорода даже при переменной солнечной освещённости.

Особая ценность достижения заключается в том, что рекорд установлен в реальных уличных условиях, а не в лаборатории под искусственным освещением. Система проработала на открытом воздухе непрерывно 107 часов, продемонстрировав способность эксплуатироваться вне помещений. Ранее аналогичные системы демонстрировали около 19,8 % эффективности на открытом воздухе, тогда как отметка в 30 % достигалась лишь в строго контролируемых испытаниях на стенде. Немецким исследователям удалось точно согласовать напряжение и ток фотоэлементов с характеристиками электролизёров, минимизировав потери при преобразовании энергии. Прототип имеет небольшую апертуру — всего 64 см², однако именно такие компактные системы позволяют быстро тестировать архитектуру будущих масштабируемых солнечно-водородных модулей.

Несмотря на рекорд, технология пока находится на стадии доказательства концепции. До промышленного применения предстоит решить задачи удешевления многопереходных фотоэлементов, повышения долговечности линзовых концентраторов и создания крупных демонстрационных установок. Исследователи уже рассматривают вариант коммерциализации через стартап Clearsun Energy, который может заняться выводом подобных солнечно-водородных модулей на рынок. Если стоимость выработки водорода удастся снизить до $3 за кг и ниже, такие установки могут стать перспективным источником экологически чистого водорода для металлургии, химической промышленности и систем энергетического хранения в условиях глобального перехода к безуглеродной экономике.

Одна из глобальных целей в сфере чистой энергетики — это эффективное производство водорода с привлечением возобновляемых источников энергии. Обычно для этого используется электролиз — разложение воды на водород и кислород с использованием электрической энергии и катализаторов. Проблема состоит в дороговизне катализаторов с использованием благородных металлов. Японцы ближе всех подошли к решению задачи, для чего использовали обычный марганец.

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Источник изображения: RIKEN

В последние годы наибольшую популярность приобрёл метод электролиза с протонно-обменной мембраной (PEM). Замена электролита на PEM стабилизирует выработку водорода и ускоряет его производство. Но применение мембран обходится значительно дороже и более хлопотно, поскольку в агрессивной среде мембраны быстро теряют свои свойства. Для продления их срока службы до настоящего времени в оксид марганца добавляли иридий, что резко увеличивало стоимость выработки водорода.

Исследователи из Института RIKEN в Японии взяли обычный марганец и изменили его трёхмерную структуру, что вылилось в создание наиболее эффективного и экологически чистого PEM-электролизёра без использования редких металлов.

Новый катализатор учёные разработали на основе оксида марганца (MnO₂), изменив структуру кристаллической решётки материала таким образом, чтобы она образовывала более прочные связи с атомами кислорода. Улучшенный MnO₂ оказался гораздо более стабильным, чем другие катализаторы на основе неблагородных металлов, и смог поддерживать реакцию с водой гораздо дольше, выработав на 1000 % больше водорода.

Согласно опубликованному в журнале Nature Catalysis исследованию, MnO₂ в 40 раз увеличивает срок службы других недорогих катализаторов. Материал более устойчив к растворению в кислоте и более стабилен во время реакции. В ходе лабораторных испытаний катализатор проработал более 1000 часов при силе тока 200 мА/см², производя в 10 раз больше водорода, чем другие материалы.

Безусловно, это только начало. Предстоит ещё много работы, прежде чем новый материал можно будет использовать в промышленных электролизёрах, но исследователи считают, что их открытие сыграет решающую роль в устойчивом производстве водорода. Будущие модификации структуры марганца могут допустить ещё большее увеличение плотности тока и больший срок службы катализатора, а в долгосрочной перспективе обещают сделать возможным электролиз воды без использования иридия и других редких металлов.

Водород рассматривается как экологически чистая альтернатива ископаемому топливу. Он сгорает без вредных выбросов и может служить аккумулятором для длительного хранения энергии. Только водород способен заменить ископаемое топливо в авиации, судоходстве и тяжёлой промышленности. Проблема в том, что экологически чистый «зелёный» водород добывается с колоссальными затратами электроэнергии, что делает его нерентабельным. Поэтому учёные ищут новые способы его получения.

Ryzen и DDR5-6000 на чипах Samsung — G.Skill даёт добро

Обзор Intel Core Ultra 7 270K Plus — лучший Arrow Lake за полцены

Обзор Intel Core Ultra 5 250K Plus, или Как Arrow Lake превратился в «топ за свои деньги»

Обзор Ryzen 9 9950X3D2: правильный 16-ядерник с 3D-кешем

Выбираем лучший игровой ноутбук до 100 000 рублей: сравнительное тестирование 7 интересных моделей

72 полёта над Марсом: как Ingenuity пережил зиму, сбои и собственную миссию

Источник изображения: University of Adelaide

Австралийские учёные из Университета Аделаиды (University of Adelaide) и Центра передовых исследований и инноваций в области углерода (ARC Centre of Excellence for Carbon Science and Innovation — COE-CSI) для повышения экономической целесообразности электролиза водорода разработали процесс и установку с большей эффективностью, чем позволяют реакции с разложением только воды. Исследователи предложили получать водород из мочевины и усовершенствовали технологию его извлечения из мочи человека и сточных вод. Более того, это также решает проблему загрязнения окружающей среды и снижает выброс вредных веществ.

Был создан электролизёр без дорогих полупроницаемых мембран, с катализатором на основе меди и углеродной подложки. В первых экспериментах использовался раствор чистой мочевины, полученной промышленным способом. Однако для практического применения этот подход непригоден, поскольку сама мочевина производится с большими затратами электроэнергии и сопровождается выбросами углекислого газа. Тем не менее подход оказался успешным — на электролиз водорода из раствора мочевины потребовалось значительно меньше энергии, чем при использовании чистой воды.

На следующем этапе исследователи применили обычную человеческую мочу. Из-за высокого содержания в ней химически активных ионов хлора катализаторы пришлось заменить: в противном случае газообразный хлор разрушал электроды, и установка быстро выходила из строя. Выбор пал на платину — дорогостоящий, но допустимый для экспериментов вариант. Опыты показали, что электролиз водорода из мочи в новых условиях требует на 20–27 % меньше энергии, чем при использовании чистой воды. Учёные намерены найти более дешёвый катализатор и продвинуться к практической реализации технологии.