Ключом к дешевой водородной энергетике оказался марганец

Международная команда ученых нашла ключ к дешевой водородной энергетике – прорыв может совершить простое минеральное соединение, которое выглядит как обычное черное пятнышко на булыжниках.

Создание дешевого и эффективного способа расщепления воды с помощью солнечных лучей совершит грандиозную революцию в сфере энергетики. Вода и Солнце станут основным экологически чистым возобновляемым источником топлива, который можно использовать повсеместно. О таких вещах, как энергетический кризис, можно будет забыть.

Для достижения этой важной цели ученые исследуют сложнейшие комплексные катализаторы, которые имитируют аналогичные соединения, помогающие растениям расщеплять воду в процессе фотосинтеза. Новое исследование демонстрирует, что решение "водородного вопроса" может быть гораздо проще, чем кажется.

Команда ученых обнаружила процесс расщепления воды на водород и кислород, который может быть реализован в дешевом устройстве на основе марганцевого катализатора.

Как и другие элементы в середине периодической таблицы, марганец может существовать в форме оксидов, характеристики которых зависят от числа присоединенных атомов кислорода. С помощью современных спектроскопических методов исследователи тщательно изучали работу различных вариантов марганцевых катализаторов и обнаружили, что вода лучше всего разлагается на водород и кислород при превращении сложных марганцевых соединений в простой материал, называемый бернессит (соединение оксида марганца, кальция, калия и натрия). Для геологов это привычный материал, который присутствует во множестве пород, например на дне озер, океанов, в корке на растрескавшихся пустынных землях и т.д.

Реакция расщепления воды проходит в два этапа. Сначала две молекулы воды окисляются с образованием одной молекулы кислорода, четырех положительно заряженных ядер водорода (протонов) и четырех электронов. Затем протоны и электроны объединяются в две молекулы водорода (H2). Однако для коммерчески эффективного процесса производства водорода и кислорода требуется применение сложных катализаторов, которые снижают требуемый ток и увеличивают выход полезных газов. Основа работы марганцевого катализатора заключается в переходе между двумя его состояниями. Сначала при подаче электрического напряжения марганец-II превращается в марганец-IV со структурой бернессита. В солнечном свете бернессит опять превращается в марганец-II и весь процесс повторяется. Таким образом в процессе расщепления воды присутствует дешевый распространенный материал, а значит есть потенциальная возможность создать надежный долговечный катализатор, который может вырабатывать водород без дополнительного дорогостоящего обслуживания.

Соавтор исследования доктор Розали Хокинг (Rosalie Hocking) отметила: "Новый успех в изучении механизма работы марганцевого катализатора может дать важную информацию об эволюции растений, которые используют марганцевые центры для расщепления воды. Ученые прилагают огромные усилия для создания очень сложных молекул марганца, копирующих аналогичные вещества в растениях, но оказывается, что он в конечном итоге превращается в очень распространенный материал".

Результаты работы исследователей из Университета Монаша (Австралия) и Калифорнийского университета в Дэвисе (США) опубликованы в издании Nature Chemistry.

Читайте на CNews
Инноваторы и компании: где и как найти друг друга
HP открыла для СМБ доступ к своим решениям по документообороту
Adobe объяснил, как ИТ-директору уйти от ответственности за пиратское ПО