Saule + ūdens = degviela

Es jums parādīšu kaut ko tādu, ko vēl nevienam neesmu parādījis, sacīja MIT ķīmijas profesors Daniels Nočera, runājot šā gada maijā auditorijā, kas bija piepildīta ar zinātniekiem un ASV valdības enerģētikas amatpersonām. Viņš lūdza mājas pārvaldnieku nolaist gaismas. Tad viņš sāka video. Vai jūs to varat redzēt? viņš satraukti jautāja, norādot uz burbuļiem, kas cēlās no ūdenī iegremdētas materiāla sloksnes. No šī elektroda izplūst skābeklis. Tad viņš nedaudz noslēpumaini piebilda: Tā ir nākotne. Mums ir lapa.

Lapu skaudība: MIT ķīmiķis Daniels Nočera ir atdarījis fotosintēzes posmu, kurā zaļie augi sadala ūdeni.

Tas, ko Nocera demonstrēja, bija reakcija, kas ģenerē skābekli no ūdens līdzīgi kā zaļie augi fotosintēzes laikā — sasniegums, kam varētu būt liela ietekme uz diskusijām par enerģiju. Reakcija, kas veikta ar viņa izstrādātā katalizatora palīdzību, ir pirmais un grūtākais ūdens sadalīšanas posms, lai iegūtu ūdeņraža gāzi. Nocera uzskata, ka efektīva ūdeņraža iegūšana no ūdens palīdzēs pārvarēt vienu no galvenajiem šķēršļiem, kas neļauj saules enerģijai kļūt par dominējošo elektroenerģijas avotu: nav rentabla veida, kā uzglabāt saules paneļu savākto enerģiju, lai to varētu izmantot naktī vai mākoņainās dienās.

Saules enerģijai ir unikāls potenciāls radīt milzīgu daudzumu tīras enerģijas, kas neveicina globālo sasilšanu. Bet bez lētiem līdzekļiem šīs enerģijas uzglabāšanai saules enerģija nevar aizstāt fosilo kurināmo plašā mērogā. Nocera scenārijā saules gaisma sadalītu ūdeni, lai iegūtu daudzpusīgu, viegli uzglabājamu ūdeņraža degvielu, ko vēlāk varētu sadedzināt iekšdedzes ģeneratorā vai rekombinēt ar skābekli degvielas šūnā. Vēl vērienīgāka reakcija varētu tikt izmantota jūras ūdens sadalīšanai; tādā gadījumā ūdeņraža palaišana caur kurināmā elementu dotu saldūdeni, kā arī elektrību.

Enerģijas uzkrāšana no saules, atdarinot fotosintēzi, ir tas, ko zinātnieki ir mēģinājuši darīt kopš 1970. gadu sākuma. Jo īpaši viņi ir mēģinājuši atkārtot veidu, kā zaļie augi sadala ūdeni. Ķīmiķi, protams, jau var šķelt ūdeni. Bet procesam ir nepieciešama augsta temperatūra, skarbi sārmu šķīdumi vai reti un dārgi katalizatori, piemēram, platīns. Tas, ko Nocera ir izstrādājis, ir lēts katalizators, kas ražo skābekli no ūdens istabas temperatūrā un bez kodīgām ķīmiskām vielām — tie paši labdabīgi apstākļi, kas sastopami augos. Lai pabeigtu procesu un ražotu ūdeņraža gāzi, varētu izmantot vairākus citus daudzsološus katalizatorus, tostarp citu, ko izstrādājis Nocera.

Multivide

• Daniels Nocera apraksta mākslīgās fotosintēzes izaicinājumus sarunā, kas tika sniegta pirms viņa nesenā progresa.

Nočera redz divus veidus, kā izmantot savu izrāvienu. Pirmajā gadījumā parastais saules panelis uztvertu saules gaismu, lai ražotu elektroenerģiju; savukārt šī elektrība darbinātu ierīci, ko sauc par elektrolizatoru, kas izmantotu viņa katalizatorus ūdens sadalīšanai. Otrajā pieejā tiktu izmantota sistēma, kas vairāk atdarina lapas struktūru. Katalizatori tiktu izvietoti blakus ar īpašām krāsvielu molekulām, kas paredzētas saules gaismas absorbēšanai; krāsvielu uztvertā enerģija virzītu ūdens sadalīšanas reakciju. Jebkurā gadījumā saules enerģija tiktu pārveidota par ūdeņraža degvielu, ko varētu viegli uzglabāt un izmantot naktī vai jebkurā laikā, kad tas ir nepieciešams.

Nočera pārdrošie apgalvojumi par viņa progresa nozīmi ir tādi, kādus akadēmiskie ķīmiķi parasti nevēlas izteikt savu vienaudžu priekšā. Patiešām, vairāki eksperti ir apšaubījuši, cik labi viņa sistēmu var paplašināt un cik tā būs ekonomiska. Taču Nocera neuzrāda atkāpšanās pazīmes. Ar šo atklājumu es pilnībā mainu dialogu, viņš maijā sacīja auditorijai. Visi vecie argumenti izplūst pa logu.

Saules tumšā puse
Saules gaisma ir pasaulē lielākais potenciālais atjaunojamās enerģijas avots, taču šo potenciālu var viegli neizmantot. Saules paneļi ne tikai nedarbojas naktīs, bet arī dienas laikā to ražošana samazinās un samazinās, mākoņiem pārejot virs galvas. Tāpēc mūsdienās lielākā daļa saules paneļu — gan tie, kas atrodas saules saimniecībās, ko būvē komunālie pakalpojumi, gan tie, kas uzstādīti uz māju un uzņēmumu jumtiem — ir pieslēgti elektrotīklam. Saulainās dienās, kad saules paneļi darbojas ar maksimālo jaudu, māju īpašnieki un uzņēmumi var pārdot savu lieko jaudu komunālajiem pakalpojumiem. Bet parasti tiem ir jāpaļaujas uz režģi naktī vai tad, kad mākoņi aizēno paneļus.

Šī sistēma darbojas tikai tāpēc, ka saules enerģija sniedz tik nelielu ieguldījumu kopējā elektroenerģijas ražošanā: tā apmierina nelielu daļu no 1 procenta no kopējā pieprasījuma Amerikas Savienotajās Valstīs. Pieaugot saules enerģijas ieguldījumam, tās neuzticamība kļūs par arvien nopietnāku problēmu.

Ja saules enerģija pieaugs pietiekami, lai nodrošinātu tikai 10 procentus no kopējās elektroenerģijas, komunālajiem uzņēmumiem būs jāizlemj, kā rīkoties, kad mākoņi ieplūst laikā, kad pieprasījums ir vislielākais, saka Raiens Visers, pētnieks, kas pēta elektroenerģijas tirgus Lorensa Bērklija Nacionālajā laboratorijā. Bērklijā, Kalifornijā. Vai nu komunālajiem uzņēmumiem būs jādarbina papildu dabasgāzes stacijas, kas var ātri palielināties, lai kompensētu zaudēto jaudu, vai arī tiem būs jāiegulda enerģijas uzkrāšanā. Pirmā iespēja pašlaik ir lētāka, Wiser saka: Elektrības uzglabāšana ir pārāk dārga.

Bet, ja mēs rēķināmies ar saules enerģiju vairāk nekā aptuveni 20 procentiem no kopējās elektroenerģijas, viņš saka, ka tā sāks veicināt tā saukto bāzes slodzes jaudu, jaudas daudzumu, kas nepieciešams, lai apmierinātu minimālo pieprasījumu. Un bāzes slodzes jauda (ko tagad galvenokārt nodrošina ar oglēm kurināmas stacijas) ir jānodrošina ar relatīvi nemainīgu ātrumu. Saules enerģiju nevar izmantot šim nolūkam, ja vien to nevar uzglabāt lielā mērogā lietošanai 24 stundas diennaktī labos un sliktos laikapstākļos.

Īsāk sakot, lai saules enerģija kļūtu par primāro elektroenerģijas avotu, būs nepieciešams liels daudzums pieejamu uzglabāšanas vietu. Un mūsdienu iespējas elektrības uzglabāšanai vienkārši nav pietiekami plašā mērogā praktiskas, saka Neitans Lūiss, Caltech ķīmijas profesors. Izmantojiet vienu no lētākajām metodēm: izmantojiet elektrību, lai sūknētu ūdeni kalnā, un pēc tam palaižot ūdeni caur turbīnu, lai vēlāk ražotu elektroenerģiju. Viens kilograms ūdens, kas uzsūknēts 100 metru garumā, uzkrāj apmēram kilodžoulu enerģijas. Salīdzinājumam, kilogramā benzīna tiek uzglabāti aptuveni 45 000 kilodžoulu. Lai šādā veidā uzglabātu pietiekami daudz enerģijas, būtu nepieciešami masīvi aizsprosti un milzīgi rezervuāri, kas katru dienu tiktu iztukšoti un piepildīti. Un mēģiniet atrast pietiekami daudz ūdens tādās vietās kā Arizona un Nevada, kur saules gaisma ir īpaši daudz.

Tikmēr akumulatori ir dārgi: tie varētu pievienot 10 000 USD tipiskas mājas saules sistēmas izmaksām. Un, lai gan tie uzlabojas, tie joprojām uzglabā daudz mazāk enerģijas nekā degvielas, piemēram, benzīns un ūdeņradis, ķīmisko saišu veidā. Labākie akumulatori uz vienu kilogramu uzglabā aptuveni 300 vatstundas enerģijas, saka Lūiss, savukārt benzīns uz kilogramu uzglabā 13 000 vatstundu. Skaitļi liecina, ka ķīmiskais kurināmais ir vienīgais enerģijas blīvais veids, kā iegūt milzīgu enerģijas uzkrāšanu, saka Lūiss. No šīm degvielām ūdeņradis ir ne tikai potenciāli tīrāks par benzīnu, bet arī pēc svara tas uzglabā daudz vairāk enerģijas — apmēram trīs reizes vairāk, lai gan tas aizņem vairāk vietas, jo tā ir gāze.

Izaicinājums ir izmantot saules enerģiju, lai lēti un efektīvi ražotu šādu degvielu. Šeit parādās Nocera centieni atdarināt fotosintēzi.

Fotosintēze vārglāzē: Eksperimentālā iestatījumā, kas dublē fotosintētiskos augos konstatētos labdabīgos apstākļus, -Daniel ¬Nocera ir parādījis vienkāršu un potenciāli lētu veidu, kā ražot ūdeņraža gāzi. Kad tiek pielikts spriegums, kobalts un fosfāts šķīdumā (pa kreisi) uzkrājas uz elektroda, veidojot katalizatoru, kas atbrīvo skābekļa gāzi no ūdens, elektroniem izplūstot caur elektrodu. Ūdeņraža joni plūst cauri membrānai; no otras puses, ūdeņraža gāzi ražo ar niķeļa metāla katalizatoru (Nocera ir izmantojis arī platīna katalizatoru).

Atdarina augus
Īstā fotosintēzē zaļie augi izmanto hlorofilu, lai uztvertu saules gaismas enerģiju, un pēc tam izmanto šo enerģiju, lai vadītu virkni sarežģītu ķīmisku reakciju, kas ūdeni un oglekļa dioksīdu pārvērš ar enerģiju bagātos ogļhidrātos, piemēram, cietē un cukurā. Bet tas, kas galvenokārt interesē daudzus pētniekus, ir procesa agrīnais posms, kurā olbaltumvielu un neorganisko katalizatoru kombinācija palīdz efektīvi sadalīt ūdeni skābekļa un ūdeņraža jonos.

Mākslīgās fotosintēzes joma sākās ātri. 70. gadu sākumā Tokijas universitātes maģistrantūras students Akira Fudžišima un viņa disertācijas padomnieks Keniči Honda parādīja, ka elektrodi, kas izgatavoti no titāna dioksīda – baltas krāsas sastāvdaļas – lēnām sadala ūdeni, pakļaujoties gaismai no spilgtas krāsas. , 500 vatu ksenona lampa. Atklājums atklāja, ka gaismu var izmantot, lai sadalītu ūdeni ārpus augiem. 1974. gadā Ziemeļkarolīnas Universitātes Chapel Hill ķīmijas profesors Tomass Meijers parādīja, ka uz rutēnija bāzes izgatavota krāsviela, pakļaujot to gaismai, tiek pakļauta ķīmiskām izmaiņām, kas deva tai potenciālu oksidēt ūdeni vai izvilkt no tā elektronus. – galvenais pirmais solis ūdens sadalīšanā.

Galu galā neviena no metodēm nebija praktiska. Titāna dioksīds nespēja absorbēt pietiekami daudz saules gaismas, un gaismas izraisītais ķīmiskais stāvoklis Meiera krāsā bija pārāk īslaicīgs, lai būtu noderīgs. Taču sasniegumi rosināja zinātnieku iztēli. Jūs varētu skatīties uz priekšu un redzēt, kur doties, un vismaz principā salikt gabalus kopā, saka Mejers.

Dažu nākamo desmitgažu laikā zinātnieki pētīja augu struktūras un materiālus, kas absorbē saules gaismu un uzglabā tās enerģiju. Viņi atklāja, ka augi rūpīgi horeogrāfē ūdens molekulu, elektronu un ūdeņraža jonu, tas ir, protonu, kustību. Bet daudz par precīziem iesaistītajiem mehānismiem palika nezināms. Pēc tam 2004. gadā Londonas Imperiālās koledžas pētnieki identificēja proteīnu un metālu grupas struktūru, kas ir ļoti svarīga skābekļa atbrīvošanai no ūdens augos. Viņi parādīja, ka šī katalītiskā kompleksa sirds bija olbaltumvielu, skābekļa atomu un mangāna un kalcija jonu kolekcija, kas mijiedarbojas īpašā veidā.

Tiklīdz mēs to redzējām, mēs varētu sākt izstrādāt sistēmas, saka Nocera, kurš kopš 1984. gada bija mēģinājis pilnībā izprast fotosintēzes pamatā esošo ķīmiju. Izlasot šo ceļvedi, viņš saka, ka viņa grupa nolēma pārvaldīt protonus un elektronus zināmā mērā. augi to dara, bet izmanto tikai neorganiskus materiālus, kas ir izturīgāki un stabilāki nekā olbaltumvielas.

Sākotnēji Nocera nerisināja lielāko izaicinājumu, izvelkot skābekli no ūdens. Drīzāk, lai iegūtu mūsu treniņriteņus, viņš sāka ar apgriezto reakciju: skābekļa savienošanu ar protoniem un elektroniem, veidojot ūdeni. Viņš atklāja, ka daži sarežģīti savienojumi, kuru pamatā ir kobalts, bija labi šīs reakcijas katalizatori. Tāpēc, kad pienāca laiks mēģināt sadalīt ūdeni, viņš nolēma izmantot līdzīgus kobalta savienojumus.

Nocera zināja, ka darbs ar šiem savienojumiem ūdenī var būt problēma, jo kobalts var izšķīst. Viņš saka, ka nav pārsteidzoši, ka dažu dienu laikā mēs sapratām, ka kobalts izkrīt no šī sarežģītā savienojuma, ko mēs izveidojām. Kad viņa sākotnējie mēģinājumi tika izjaukti, viņš nolēma izvēlēties citu pieeju. Tā vietā, lai izmantotu sarežģītu savienojumu, viņš pārbaudīja izšķīdinātā kobalta katalītisko aktivitāti, pievienojot ūdenim fosfātu, lai veicinātu reakciju. Mēs teicām: aizmirsīsim visas sarežģītās lietas un izmantosim kobaltu tieši, viņš saka.

Saule darbojas solo: Mākslīgā fotosintēze varētu nodrošināt praktisku veidu, kā uzglabāt enerģiju, ko ražo saules enerģija, atbrīvojot cilvēku mājas no elektrotīkla. Šajā shēmā elektrība no saules paneļiem darbina elektrolizatoru, kas sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Ūdeņradis tiek uzglabāts; naktī vai mākoņainās dienās to ievada degvielas šūnā, lai ražotu elektroenerģiju apgaismojumam, ierīcēm un pat elektriskajām automašīnām. Saulainās dienās daļa saules enerģijas tiek izmantota tieši, apejot ūdeņraža ražošanas posmu.

Eksperiments darbojās labāk, nekā Nocera un viņa kolēģi bija gaidījuši. Kad šķīdumā iegremdētajam elektrodam tika pievadīta strāva, uz tā plānā plēvē sakrājās kobalts un fosfāts, un dažu minūšu laikā sāka veidoties blīvs burbuļu slānis. Turpmākie testi apstiprināja, ka burbuļi ir skābeklis, kas izdalās, sadalot ūdeni. Lūk, veiksme, saka Nočera. Mums nebija iemesla gaidīt, ka vienkāršs kobalts ar fosfātu, salīdzinot ar kobaltu, kas ir saistīts kādā no mūsu kompleksiem, darbosies tik labi. Es to nevarēju paredzēt. Mantas, kas izkrita no maisījumiem, izrādījās mums vajadzīgas.

Tagad mēs vēlamies to saprast, viņš turpina. Es gribu zināt, kāpēc ellē kobalts šajā plānā plēvē ir tik aktīvs. Es, iespējams, varēšu to uzlabot vai izmantot citu metālu, kas ir labāks. Tajā pašā laikā viņš vēlas sākt strādāt ar inženieriem, lai optimizētu procesu un izveidotu efektīvu ūdens sadalīšanas elementu, kurā ir iekļauti katalizatori gan skābekļa, gan ūdeņraža ražošanai. Mūs patiešām interesēja pamata zinātne. Vai mēs varam izveidot katalizatoru, kas darbojas efektīvi fotosintēzes apstākļos? viņš saka. Atbilde tagad ir jā, mēs to varam izdarīt. Tagad mums patiešām ir jāķeras pie šūnas projektēšanas tehnoloģijas.

Debašu katalizēšana
Nocera atklājums ir izpelnījies lielu uzmanību, un ne viss ir bijis glaimojošs. Daudzi ķīmiķi uzskata, ka viņa apgalvojumi ir pārspīlēti; viņi neapstrīd viņa atklājumus, bet šaubās, vai tiem būs sekas, ko viņš iedomājas. Apgalvojums, ka šī ir atbilde uz mākslīgo fotosintēzi, ir traks, saka Tomass Meiers, kurš ir bijis Nocera mentors. Viņš saka, ka, lai gan Nocera katalizatori varētu izrādīties tehnoloģiski nozīmīgi, progress ir pētniecības atklājums, un nav garantijas, ka to var palielināt vai pat padarīt praktisku.

Daudzu kritiķu iebildumi ir saistīti ar Nocera laboratorijas iekārtu nespēju sadalīt ūdeni gandrīz tikpat ātri kā komerciālie elektrolizatori. Jo ātrāka sistēma, jo mazāka būtu komerciālā vienība, kas ražos noteiktu ūdeņraža un skābekļa daudzumu. Un mazākas sistēmas kopumā ir lētākas.

Veids, kā salīdzināt dažādus katalizatorus, ir aplūkot to strāvas blīvumu, tas ir, elektrisko strāvu uz kvadrātcentimetru, kad tie ir visefektīvākie. Jo lielāka strāva, jo ātrāk katalizators var ražot skābekli. Nocera ziņoja par rezultātiem 1 miliampers uz kvadrātcentimetru, lai gan viņš saka, ka kopš tā laika ir sasniedzis 10 miliamperus. Komerciālie elektrolizatori parasti darbojas ar aptuveni 1000 miliamperiem uz kvadrātcentimetru. Vismaz tas, ko viņš ir publicējis līdz šim, nekad nedarbotos komerciālam elektrolizatoram, kura strāvas blīvums ir 800 līdz 2000 reižu lielāks, saka Džons Tērners, pētnieks Nacionālās atjaunojamās enerģijas laboratorijā Golden, CO.

Citi eksperti apšauba visu principu, ka saules gaisma tiek pārvērsta elektrībā, pēc tam ķīmiskā degvielā un pēc tam atkal elektrībā. Viņi norāda, ka, lai gan akumulatori uzglabā daudz mazāk enerģijas nekā ķīmiskais kurināmais, tie tomēr ir daudz efektīvāki, jo, izmantojot elektrību degvielas ražošanai un pēc tam izmantojot kurināmo elektrības ražošanai, enerģija tiek izšķiesta katrā solī. Viņi saka, ka labāk būtu koncentrēties uz akumulatoru tehnoloģiju vai citu līdzīgu elektroenerģijas uzglabāšanas veidu uzlabošanu, nevis uz ūdens sadalītāju un kurināmā elementu izstrādi. Kā saka Ryan Wiser, elektrolīze [pašlaik] ir neefektīva, tad kāpēc jūs to darītu?

Mākslīgā lapa
Tomēr Mihaelam Grätzelam, iespējams, ir gudrs veids, kā pārvērst Nocera atklājumu praktiski. Ķīmijas un ķīmiskās inženierijas profesors École Polytechnique Fédérale Lozannā, Šveicē, viņš bija viens no pirmajiem cilvēkiem, kam Nocera pastāstīja par savu jauno katalizatoru. Viņš bija tik satraukti, Grätzel saka. Viņš aizveda mani uz restorānu un nopirka ārkārtīgi dārgu vīna pudeli.

1991. gadā Grätzel izgudroja daudzsološu jauna veida saules baterijas. Tas izmanto krāsvielu, kas satur rutēniju, kas darbojas līdzīgi kā hlorofils augā, absorbējot gaismu un atbrīvojot elektronus. Tomēr Grätzela saules baterijā elektroni neizraisa ūdens sadalīšanas reakciju. Tā vietā tos savāc titāna dioksīda plēve un virza caur ārēju ķēdi, radot elektrību. Grätzel tagad domā, ka viņš var integrēt savu saules bateriju un Nocera katalizatoru vienā ierīcē, kas uztver saules gaismas enerģiju un izmanto to ūdens sadalīšanai.

Ja viņam ir taisnība, tas būtu nozīmīgs solis, lai izveidotu ierīci, kas daudzējādā ziņā patiešām atgādina lapu. Ideja ir tāda, ka Grätzela krāsa ieņemtu elektroda vietu, uz kura veidojas katalizators Nocera sistēmā. Pati krāsa, pakļaujoties gaismai, var radīt spriegumu, kas nepieciešams katalizatora montāžai. Krāsviela darbojas kā molekulāra stieple, kas izvada lādiņus, saka Grätzels. Pēc tam katalizators tiek samontēts tur, kur tas ir nepieciešams, tieši uz krāsvielas. Kad katalizators ir izveidots, saules gaisma, ko absorbē krāsviela, izraisa reakcijas, kas sadala ūdeni. Grätzel saka, ka ierīce varētu būt efektīvāka un lētāka, nekā izmantojot atsevišķu saules paneli un elektrolizatoru.

Vēl viena iespēja, ko Nocera pēta, ir, vai viņa katalizatoru var izmantot jūras ūdens sadalīšanai. Sākotnējās pārbaudēs tas labi darbojas sāls klātbūtnē, un tagad viņš to pārbauda, ​​lai redzētu, kā tas apstrādā citus jūrā atrodamos savienojumus. Ja tas darbojas, Nocera sistēma varētu risināt ne tikai enerģijas krīzi; tas varētu palīdzēt atrisināt arī pasaulē pieaugošo saldūdens trūkumu.

Mākslīgās lapas un degvielu ražojošas atsāļošanas sistēmas varētu izklausīties kā grandiozi solījumi. Taču daudziem zinātniekiem šādas iespējas šķiet tracinoši tuvas; ķīmiķi, kas meklē jaunas enerģijas tehnoloģijas, gadu desmitiem ir ņirgājušies par to, ka augi viegli izmanto saules gaismu, lai pārvērstu bagātīgos materiālus ar enerģiju bagātās molekulās. Mēs redzam, ka tas notiek mums visapkārt, taču tas ir kaut kas tāds, ko mēs īsti nevaram izdarīt, saka Pols Alivisatos, Kalifornijas Universitātes Bērklija ķīmijas un materiālu zinātnes profesors, kurš vada Lorensa Bērklija Nacionālās laboratorijas centienus atdarināt. fotosintēze ar ķīmiskiem līdzekļiem.

Taču drīzumā, izmantojot pašas dabas projektu, cilvēki varētu izmantot sauli, lai no ūdens glāzes ražotu degvielu, kā saka Nocera. Šai idejai ir elegance, ko var novērtēt ikviens ķīmiķis, un iespējas, kas ikvienam jārada cerīgi.

Kevins Bulliss ir Tehnoloģiju apskats Enerģijas redaktors.

paslēpties