Учёные разработали принципиально новый метод улавливания и хранения солнечного света в виде химической энергии, а затем преобразования её в молекулярный водород в полной темноте, без подключения к электросети и без батарей. Эта технология сочетает в себе функции и накопления, и преобразования энергии, позволяя потенциально транспортировать «солнечный свет» в жидкой форме из одних регионов мира в другие.

Статья об этом открытии опубликована в журнале Advanced Materials.

Суть метода заключается в использовании двух доступных материалов: графитового нитрида углерода и аммонийного метавольфрамата. Первый выступает как фотокатализатор, способный поглощать видимый свет и генерировать электрон-дырочные пары под воздействием освещения. Второй — это кластер вольфрама и кислорода, который может «держать» большое количество электронов, действуя подобно маленькой перезаряжаемой батарее. Процесс происходит в водном растворе с добавлением небольшого количества метанола, который помогает предотвратить быструю рекомбинацию электронов, удерживая их доступными для последующих реакций.

При облучении системы синим светом электроны перемещаются от графитного нитрида к вольфрамовым кластерам. По мере накопления электронов раствор меняет цвет с бледно-жёлтого на интенсивно-синий — это видимый индикатор того, что энергия солнечного света была захвачена и «химически сохранена». Важным является то, что эти электронные запасы остаются стабильными даже после прекращения освещения.

Когда требуется получить энергию, в тёмную жидкость добавляют каталитический материал — платину на углеродном носителе. Платина служит активными центрами, на которых хранящиеся электроны соединяются с протонами из воды, формируя молекулярный водород. По данным исследования, после одного часа солнечного освещения система способна в темноте производить 13,5 микромолей водорода, а пиковая скорость выхода достигает 3220 микромолей на грамм в час. Это рекордный показатель для подобных фото-химических систем, работающих в отсутствие света. Также система успешно работала с реальным солнечным светом.

Основное преимущество технологии — возможность разделить этапы сбора солнечного света, его хранения и генерации водорода во времени и пространстве без электричества, линий связи или высоко-давленных резервуаров. В перспективе подобные жидкости, наполненные энергией света, могли бы транспортироваться из районов с обилием солнца в регионы с неспокойным климатом или зимой для производства топлива по запросу.

Вместе с тем учёные отмечают ограничения текущего прототипа. Система в настоящем виде требует присутствия метанола вместо чистой воды, а длительное хранение энергии (недели или месяцы) ещё не продемонстрировано. Следующие этапы исследований будут направлены на устранение этих ограничений и приближение технологии к промышленному применению.