Как собрать искусственный лист

Исследователи Объединенного центра искусственного фотосинтеза (JCAP), созданного в Калифорнии в 2010 году, сделали очередной шаг к созданию «искусственного листа» («Nature», 2014, 510, 22—24, doi: 10.1038/510022a). Они надеются создать работающий прототип до конца 2015 года.

Солнце — естественный источник энергии, который используют растения, чтобы синтезировать органические вещества из углекислого газа. Фотосинтез — в буквальном смысле питание воздухом и светом, на зависть нам, млекопитающим. Происходит он в две стадии. На первой молекулы воды под действием света разлагаются на кислород и водород.

Эту стадию последние десятилетия пытаются воспроизвести многие исследователи, чтобы получать экологически чистое топливо — водород. Вторая стадия фотосинтеза проходит без действия света — диоксид углерода превращается в глюкозу. (Окисленный углерод из CO₂ для этого необходимо восстановить, вот почему растению нужен водород, точнее, протоны и электроны.) Ученые пытаются повторить и этот этап, поскольку утилизация избыточного CO₂ в промышленных масштабах могла бы существенно снизить концентрацию парникового газа.

Точкой отсчета, с которой начинается история искусственного фотосинтеза, можно считать открытие японского химика Акиро Фудзисимы, который в 1967 году обнаружил, что электрод из диоксида титана на свету может разлагать воду на водород и кислород. (В честь Фудзисимы и профессора Кенити Хонды, под чьим руководством он делал докторскую диссертацию, это явление теперь называется эффектом Хонды — Фудзисимы.) Для искусственного фотосинтеза необходимы как минимум три обязательных элемента: фотосенсибилизатор Р, поглощающий фотоны видимого света (им могут быть полупроводниковый материал или органические красители), катализатор окисления воды D, на котором происходит выделение кислорода, и катализатор восстановления А, на котором выделяется водород.

Схема работы устройства для искусственного фотосинтеза. Из двух молекул воды получается одна молекула кислорода, а также четыре электрона и протона, которые на катализаторе А превращаются в водород

Казалось бы, не очень сложная схема, но добиться, чтобы устройство было одновременно эффективным, долговечным и не очень дорогим, не могут почти 40 лет. Найти материалы для отдельных стадий, сделать процесс эффективным или недорогим возможно, но заставить все составляющие работать вместе, да еще с соблюдением всех трех условий, пока не удается.

Чтобы преодолеть этот рубеж, Министерство энергетики США в 2010 году создало Объединенный центр искусственного фотосинтеза и дало ему грант в 116 миллионов долларов. К концу 2015 года 190 исследователей центра должны решить поставленную перед ними задачу.

Искусственный лист центра JCAP состоит из фотоанода и фотокатода, разделенных мембраной и погруженных в воду (см. схему). Электроды сделаны из полупроводникового материала, способного поглощать фотоны видимого света, и покрыты катализаторами, позволяющими выделять водород (фотокатод) или кислород (фотоанод). Мембрана разделяет взрывоопасную смесь водорода и кислорода. Огромная проблема — найти оптимальные материалы. Например, кремний хорош для фотокатода, но стабилен лишь в кислом растворе. С фотоанодом ситуация обратная — хорошие материалы стабильны в щелочном растворе. Сами исследователи признаются, что труден не только каждый этап создания искусственного листа, трудно собрать все части головоломки. Не говоря о том, что лучшие катализаторы для выделения кислорода и водорода — дорогостоящие иридий и платина.

Строение искусственного листа JCAP

Одна из сложнейших проблем искусственного фотосинтеза — подобрать подходящий материал для фотоанода. Практически все материалы в этом качестве оказываются очень нестабильными, многие корродируют за считанные минуты. Здесь возможны два подхода. Одни исследователи ищут дешевые и стабильные материалы (оксиды металлов, например) и пытаются сделать так, чтобы они хорошо поглощали солнечный свет. Другие выбирают изначально подходящие фотосенсибилизаторы и делают их стабильнее и дешевле. Команда JCAP пошла по второму пути и одержала маленькую победу.

Покрыв кремниевый фотоанод пленкой из диоксида титана, исследователи намного увеличили его стабильность. Кроме того, они подобрали недорогой никелевый катализатор выделения кислорода, который нанесли на фотоанод («Science», 2014, 344, 6187, 1005—1009, doi: 10.1126/science.1251428). «Это последняя деталь головоломки по созданию прототипа искусственного листа первого поколения», — говорит директор JCAP электрохимик Карл Коваль, который, считает, что уже совсем скоро искусственные листья можно будет запустить в работу. Нельзя сказать, что эта модель удовлетворяет трем ключевым условиям, — она пока еще слишком дорогая, чтобы выйти на рынок. Но если кто-то придумает другую, более дешевую технологию производства монокристаллического кремния, из которого сделан электрод, то система станет более перспективной.

Модель искусственного листа, придуманная учеными JCAP — не единственная. В 2011 году на весь мир прогремела новость, что Дэниел Носера из Массачусетского технологического института (США) наконец сделал экономически конкурентоспособную модель искусственного листа. Кремниевую пластинку размером с игральную карту, на которую были нанесены все необходимые катализаторы, погружали в воду, и при облучении видимым светом она начинала активно выделять пузырьки водорода и кислорода. Автор исследования собирался доработать свою модель и к 2012 году создать устройство, которое из нескольких литров воды любого качества могло бы полностью обеспечить топливом и энергией один дом на сутки. Под это даже была создана специальная компания «SunCatalytix» (www.suncatalytix.com). Но пока не получилось.

Различные конфигурации искусственных листов с разнообразными катализаторами, катодами и анодами тестируют и другие лаборатории и корпорации. Уж очень заманчива идея — получить дешевый водород из воды, раз и навсегда решить проблему топлива и энергии.