По некоторым оценкам, количество солнечной энергии, достигающей поверхности земли за один год, больше, чем сумма всей энергии, которую мы когда-либо могли бы производить с использованием невозобновляемых ресурсов. Технология, необходимая для преобразования солнечного света в электричество, быстро развивалась, но неэффективность в хранении и распределении этой энергии оставалась серьезной проблемой, делая солнечную энергию непрактичной в больших масштабах. Однако прорыв был сделан исследователями из колледжа UVA и Высшей школы искусств и наук, Калифорнийского технологического института и США. Аргоннская национальная лаборатория министерства энергетики, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Брукхейвенская Национальная лаборатория могли бы устранить критическое препятствие в этом процессе-открытие, которое представляет собой гигантский шаг к будущему чистой энергии.

Одним из способов использования солнечной энергии является использование солнечного электричества для расщепления молекул воды на кислород и водород. Водород, полученный в результате этого процесса, хранится в качестве топлива в форме, которая может быть перенесена из одного места в другое и использована для выработки энергии по требованию. Для расщепления молекул воды на их составные части необходим катализатор, но каталитические материалы, используемые в настоящее время в этом процессе, также известном как реакция выделения кислорода, недостаточно эффективны, чтобы сделать этот процесс практичным.

Однако, используя инновационную химическую стратегию, разработанную в UVA, команда исследователей во главе с профессорами химии Сен Чжаном и т. Брентом гунном произвела новую форму катализатора с использованием элементов кобальта и титана. Преимущество этих элементов в том, что они гораздо более распространены в природе, чем другие широко используемые каталитические материалы, содержащие драгоценные металлы, такие как иридий или рутений.

"Новый процесс включает в себя создание активных каталитических центров на атомном уровне на поверхности нанокристаллов оксида титана, метод, который производит прочный каталитический материал и который лучше запускает реакцию выделения кислорода." - Спросил Чжан. "Новые подходы к эффективным катализаторам реакции выделения кислорода и углубленное фундаментальное понимание их являются ключом к возможному переходу к масштабному использованию возобновляемой солнечной энергии. Эта работа является прекрасным примером того, как оптимизировать эффективность катализатора для технологии чистой энергии путем настройки наноматериалов в атомном масштабе."

По словам гунно, " эта инновация, основанная на достижениях лаборатории Чжана, представляет собой новый метод улучшения и понимания каталитических материалов с результирующими усилиями, которые включают интеграцию передовых методов синтеза материалов, характеристики атомного уровня и теории квантовой механики."

"Несколько лет назад UVA присоединилась к энергетическому консорциуму MAXNET, состоящему из восьми институтов Макса Планка (Германия), UVA и Кардиффского университета (Великобритания), который объединил международные совместные усилия, направленные на электрокаталитическое окисление воды. MAXNET Energy стала семенем для нынешних совместных усилий моей группы и лаборатории Чжана, которые были и остаются плодотворным и продуктивным сотрудничеством", - сказал Гунное.

С помощью Аргоннской национальной лаборатории и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и их современных средств синхротронной рентгеновской абсорбционной спектроскопии, использующих излучение для изучения структуры вещества на атомном уровне, исследовательская группа обнаружила, что катализатор имеет четко определенную поверхностную структуру, которая позволяет им ясно видеть, как катализатор эволюционирует в процессе реакции выделения кислорода, и позволяет им точно оценить его производительность.

"В работе использовались рентгеновские линии луча от усовершенствованного источника фотонов и усовершенствованного источника света, включая часть программы" быстрого доступа", выделенной для быстрого цикла обратной связи для изучения возникающих или актуальных научных идей",-сказал Аргоннский рентгеновский физик Хуа Чжоу, соавтор статьи. "Мы очень рады, что оба национальных научных центра могут внести существенный вклад в такую умную и аккуратную работу по расщеплению воды, которая обеспечит скачок вперед для чистых энергетических технологий."

Как усовершенствованный источник фотонов, так и усовершенствованный источник света являются объектами управления научных пользователей Министерства энергетики США (DOE), расположенными в Аргоннской национальной лаборатории DOE и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли соответственно.

Кроме того, исследователи из Калифорнийского технологического института, используя недавно разработанные методы квантовой механики, смогли точно предсказать скорость образования кислорода, вызванную катализатором, что дало команде детальное понимание химического механизма реакции.

"Мы разрабатываем новые методы квантовой механики для понимания механизма реакции выделения кислорода уже более пяти лет, но во всех предыдущих исследованиях мы не могли быть уверены в точной структуре катализатора. Катализатор Чжана имеет четко определенную атомную структуру, и мы обнаруживаем, что наши теоретические результаты, по существу, находятся в точном согласии с экспериментальными наблюдаемыми", - сказал Уильям А. Годдард III, профессор химии, материаловедения и прикладной физики в Калтехе и один из главных исследователей проекта. "Это обеспечивает первую сильную экспериментальную проверку наших новых теоретических методов, которые мы теперь можем использовать для прогнозирования еще лучших катализаторов, которые могут быть синтезированы и протестированы. Это важная веха на пути к глобальной чистой энергетике."

"Эта работа является прекрасным примером совместных усилий UVA и других исследователей в направлении чистой энергии и захватывающих открытий, которые приходят в результате этого междисциплинарного сотрудничества", - сказала Джилл Вентон, заведующая кафедрой химии UVA.

ИСТОЧНИК