Немецкие химики разработали новую технологию хранения солнечной энергии и её отложенного преобразования в водородное топливо. Молекулы довольно сложного химического соединения позволяют накапливать энергию Солнца и удерживать её некоторое время, после чего под действием химических реагентов её можно высвободить, получив водород.
Технологии солнечных источников энергии уже достаточно развиты, чтобы задуматься об их использовании как конкурентной замены ископаемому топливу. Проблема заключается в том, что солнечную энергию желательно где-то накапливать с возможностью использования через некоторое время — хотя бы через несколько часов, — чтобы установка могла выполнять свои функции и ночью. Простое решение, к которому мы привыкли — солнечные панели с аккумуляторами. Эффективность таких установок ещё очень низкая: здесь включается не только второе начало термодинамики, но и фундаментальные ограничение коэффициента полезного действия солнечных панелей из-за свойств полупроводников, плюс несовершенство самих батарей (о том, как законы физики ограничивают наши ожидания в области альтернативной энергии, можно прочитать в этой статье). Альтернативный подход предполагает прямое преобразование энергии Солнца для получения водорода. Водород можно использовать как источник энергии в водородных топливных элементах. В этом случае также появляется проблема дорогостоящего хранения топлива в резервуарах, если установку предполагается использовать не только когда светит Солнце. Исследователи предложили другой подход: энергия Солнца сохраняется в химических связях некоторых сложных молекул, способных накапливать её при облучении на дневном свете; затем при необходимости энергию можно использовать для получения водорода из этого же соединения. Статья о новой разработке вышла в январе 2022 года в Nature Chemistry.
Исследователи создали химическое соединение, используя сложный оксид металла (полиоксометалат, POM), молекулы которого образовывают ковалентную связь со светочувствительными молекулами (фотосенсибилизаторами, PS), содержащим рутений. Полученные молекулы добавляют в раствор, содержащий аскорбат натрия. В этой схеме солнечные батареи для накопления энергии не нужны — свет Солнца прямо падает на раствор, в котором происходит захват энергии на электронах этой составной соли. В молекуле происходит разделение заряда, и электроны, как видно из схемы в оригинальной статье, смещаются в сторону комплекса полиоксометалата. При этом раствор из прозрачного становится тёмно-синим. Эксперименты показали, что такая «заряженная» жидкость сохраняет энергию до 24 часов.
На следующей стадии к раствору добавляется кислота (в экспериментах использовали серную кислоту). При этом электроны соединяются с ионами водорода в составе кислоты, образуя свободный водород, который можно использовать как топливо.
Молекулы можно заряжать и разряжать неоднократно, хотя с течением времени полезные свойства химического соединения с точки зрения хранения энергии ухудшаются. Кроме того, рутений — дорогой элемент, поэтому продолжается поиск более доступной альтернативы. Если удастся довести стоимость такого аккумулятора до коммерчески приемлемого уровня и соответственно масштабировать его производительность, разработка может стать решением альтернативной энергетики для водородного источника питания.