Искусственный фотосинтез: как солнечный свет превращают в водород

Ни для кого не секрет, что водород называют топливом будущего: при его использовании не образуется углекислый газ, а единственным побочным продуктом становится вода. Сегодня всё чаще говорят о так называемом «зелёном водороде», который получают при помощи электролиза воды с использованием энергии от возобновляемых источников. Этот путь уже активно развивается, однако он требует значительных затрат электроэнергии и дорогого оборудования. Поэтому многие исследователи обращают внимание на другой перспективный вариант — искусственный фотосинтез, способный напрямую преобразовывать солнечный свет в химическую энергию водорода, минуя промежуточные этапы.

Природный фотосинтез позволяет растениям и водорослям преобразовывать энергию солнечного света в химическую, связывая углекислый газ и воду. Учёные стремятся воспроизвести этот процесс в искусственных системах, но направить его не на образование сахаров, а на расщепление воды и получение водорода. Такое направление называют искусственным фотосинтезом.

Серьёзный прорыв сделали японские исследователи. Они разработали систему на основе наночастиц и полимерных структур с платиной и рутением, которая под действием солнечного света расщепляет воду на кислород и водород. Достигнутая эффективность около 20 % сопоставима с современными солнечными панелями, а это значительно выше, чем у природных растений, где эффективность не превышает 1 %.

Другие группы исследователей работают над созданием супрамолекулярных катализаторов. Например, учёные из Брукхейвенской лаборатории и Virginia Tech разработали молекулу с ионами рутения и родия, которая за 10 часов работы показала высокую эффективность производства водорода. В ней интегрированы процессы поглощения света, разделения зарядов и катализа. Результаты подтверждают, что искусственный фотосинтез действительно возможен.

Интересные достижения были сделаны и в Израиле. Там разработали фотокаталитическую систему, преобразующую воду в водород с эффективностью 4,2 %, что стало мировым рекордом. Побочный процесс превращения бензиламина в бензальдегид усилил устойчивость и продуктивность катализатора. Учёные считают, что использование методов искусственного интеллекта позволит находить ещё более эффективные материалы.

 

Отдельное направление связано с удешевлением самих катализаторов. Одним из главных препятствий остаётся высокая стоимость редких металлов, таких как иридий. Учёные из Северо-Западного университета (США) создали «мегабиблиотеку» наноматериалов, которая позволяет за один день тестировать миллионы вариантов частиц. С помощью этой технологии они нашли катализатор, в 16 раз более дешёвый, чем иридий, при этом сохранивший высокую активность и устойчивость в течение 1000 часов. Такой подход открывает путь к массовому производству доступного «зелёного» водорода.

Таким образом, перспектива получения водорода с помощью фотосинтеза становится всё более реальной. Учёные во всём мире демонстрируют разные подходы — от наночастиц и супрамолекул до автоматизированного поиска катализаторов. Несмотря на сложности, связанные с долговечностью систем и высокой стоимостью некоторых материалов, направление развивается стремительно. Возможно, именно искусственный фотосинтез станет ключом к созданию экологически чистой энергетики будущего.

ОСНОВНОЙ БЛОГ АВТОРА посвящён ИТ-технологиям и карьере в сфере высоких технологий. Если вам интересны актуальные тренды в ИТ, управление проектами и командами — присоединяйтесь! Подписаться на блог можно через Telegram-канал «Карьера менеджера и ИТ-технологии».