2023 году на ископаемое топливо, включая нефть, природный газ и уголь, приходилось примерно 84% первичной энергии, произведённой в Соединённых Штатах, по данным Управления энергетической информации США. Сжигание этих невозобновляемых источников приводит к выбросу углекислого газа в атмосферу, что усугубляет изменение климата из-за улавливания тепла. Это явление известно как парниковый эффект. На фоне этой экологической проблемы исследователи Сельскохозяйственного и технического государственного университета Северной Каролины изучают инновационные решения для использования возобновляемых источников энергии.
Искусственное солнце
Команда доктора Бишну Бастакоти сосредоточилась на разработке «зелёного» водорода — экологически чистого энергоносителя, получаемого из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия. Эти усилия предпринимаются в решающий момент, когда потребность в экологичных альтернативах ископаемому топливу становится всё более острой. Водород синтезируется различными способами, в том числе с помощью коричневого, серого и синего водорода, при производстве которых выделяются парниковые газы.
В отличие от этого, производство «зелёного» водорода является значительным достижением, поскольку обещает более экологичную альтернативу за счёт использования солнечного света для преобразования энергии. Однако этот метод сопряжён с определёнными трудностями, в частности, с колебаниями интенсивности света, особенно в пасмурные дни, что может повлиять на количество вырабатываемого водорода.
Команда Бастакоти использует в своей лаборатории солнечный симулятор для решения проблемы воспроизводимости при производстве водорода. Эта контролируемая среда позволяет им точно измерять передачу энергии молекулам воды при воздействии света. Исследователи могут точно определить выход водорода, расщепляя эти молекулы, что способствует более стабильному и надёжному процессу производства.
Одним из ключевых компонентов их исследования является разработка нового материала на основе титаната железа. Команда структурировала этот материал в виде сот по форме, оптимизировав его для более высокой эффективности. Их результаты, опубликованные в журнале Small под заголовком «Фотокаталитическая выработка водорода с использованием мезопористого сотообразного титаната железа», привлекли внимание специалистов в области материаловедения и фотокатализа.
Двойное производство экологически чистого водорода
Предыдущие исследования легли в основу их инновации, показав, что пористые сотовые структуры значительно улучшают перенос заряда и массы благодаря большой площади поверхности, что является решающим фактором в каталитических процессах. Размер пор в материале, созданном командой, составляет от двух до 50 нанометров, что относит его к мезопорам. Важно отметить, что эта недавно разработанная ячеистая структура продемонстрировала способность вырабатывать почти в два раза больше водорода по сравнению с существующими коммерческими материалами.
Доктор Бастакоти подчёркивает потенциал возобновляемых ресурсов для удовлетворения будущих потребностей в энергии. «Важно донести до общественности, что мы можем использовать эффективные возобновляемые источники для производства необходимой нам энергии», — заявил он. Он проводит параллель между продолжающимся переходом на «зелёный» водород и историческим переходом от угля к природному газу, выступая за отказ от невозобновляемых источников энергии. На недавней конференции «Знакомство с учёным», проходившей в Непале летом 2024 года, многие участники интересовались экономическими аспектами производства экологически чистого водорода. Доктор Бастакоти откровенно ответил, признав, что первоначальные высокие затраты, связанные с этой новой технологией, высоки.