Фотосинтез - это наиболее эффективный способ получения и запасания солнечной энергии, который когда-либо существовал на нашей планете. На его «изобретение и совершенствование» ушло добрых 3,5 миллиарда лет эволюции. К слову нефть, является наиболее популярным источником энергии настоящего, является продуктом фотосинтеза древних растений и микроорганизмов.

Ключевой реакцией этого процесса является энзиматический фотолиз воды - разложение распространенных на Земле соединений на ее компоненты, кислород и водород под действием солнечных лучей и при участии специальных белков и кофакторов. Свободные протоны и высокоэнергетические электроны, образующиеся в результате фотолиза воды, растение продолжает использовать для выполнения полезной работы, а именно, синтеза сахаров и других органических соединений. А продукт этой реакции, кислород, охотно потребляют все другие живые существа, которые способны дышать.

Воспроизвести этот животворный естественный процесс, собственно, создать искусственный фотосинтез - давняя мечта ученых.

Это не только позволило бы получить неограниченный доступ к возобновляемому источнику энергии, но и существенно уменьшило бы негативное влияние на экологию.

Логика здесь достаточно проста: берем дешевое сырье - воду и используем почти вечный источник энергии - Солнце - для получения тех же свободных протонов и высокоэнергетических электронов, подобно тому, как это происходит в растениях, а затем объединяем эти частицы с образованием молекулярного водорода, который можно использовать как топливо для двигателей. Выхлопом такого двигателя будет простой водяной пар, который можно превратить обратно в молекулярный водород и так далее.

И эта задача оказывается выполнимой, поскольку Н 2 О невероятно стабильная молекула, и для того, чтобы ее расщепить, а потом еще отделить водород от кислорода, требуется потратить огромное количество энергии. В том-то и заключается красота эволюции, так как растения «научились» это делать без сверхмощных электрических токов и котлов высокого давления. К сожалению, на современном уровне развития биотехнологии нам еще очень далеко до создания искусственной фотосинтетической системы, которая будет иметь такую же эффективность, что и живая клетка.

Поэтому сейчас более реалистичными и актуальными считаются не биологических подходы, а именно, фото электрохимическое расщепление воды. Этот наиболее чистый и безопасный способ фотолиза, не предусматривает использование радиоактивных веществ и значительных энергозатрат для поддержания безумных температур и давления. Этот метод основывается на применении солнечной энергии и катализаторов. Последние выполняют две функции: создание электрического тока (фото динамический эффект) в водной среде и, собственно, облегчение расщепления воды (фотолитический эффект). Для этого отчасти используют комбинацию катализаторов, таких как диоксид титана, который выполняет фото динамическую функцию, вместе с платиной, которая повышает эффективность выделения молекулярного водорода.

Наряду с чрезвычайно низкой эффективностью такого подхода (практический выход водорода лучшей каталитической системы не превышает 5%) серьезной проблемой фото электрохимического расщепления является быстрая изнашиваемость катализаторов, что делает такой подход достаточно дорогим (особенно в случае платино-титановой системы), а значит - совершенно не рентабельным.

На сегодня ученые активно работают над проблемой совершенствования фото электрохимических методов добычи водорода. Подтверждением этого является свежая публикация химиков Бостонского Колледжа и Китайского Университета Науки в журнале NatureCommunications. Они продемонстрировали, что для фото электролиза воды с умеренной эффективностью выделения молекулярного водорода можно использовать достаточно дешевые реагенты. Речь идет о двух наиболее распространенных соединениях Земной коры - двуокиси кремния и гематите (оксид железа трехвалентного Fe 2O3). То есть фактически они предлагают добывать водород из солнечного света, воды, песка и ржавчины!

Ученые сконструировали устройство для фото электролиза воды, где гематит является фото анодом, который окисляет воду с образованием молекулярного кислорода и протонов, а оксид кремния - фотокатодом, который передает электроны, образованные в ходе окисления воды, протонам с образованием молекулярного водорода. Главным достижением исследователей стало улучшение метода «выращивания» кристалла гематита с применением кислотного раствора и интенсивного нагрева. Такая обработка буквально сглаживает выпячивание и заполняет пробелы в нано-структуре гематита, что позволяет получить кристалл с очень ровной поверхностью. Выравнивание почти в четыре раза улучшило фото анодные характеристики гематита, что в свою очередь увеличило общую эффективность выделения молекулярного водорода до 1%.

Несмотря на более чем скромный коэффициент полезного действия ученые считают свой подход перспективным, поскольку в нем используются дешевые распространенные нетоксичные материалы, а запрос на возобновляемое топливо, такой как водород, с годами будет только расти.