Наночастицы кремния позволяют производить чистый водород
 Группа наночастиц кремния диаметром 10 нм. Изображение получено при помощи методик просвечивающей электронной микроскопии. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Расщепление воды с получением водорода – это экологически чистый способ преобразования энергии из возобновляемого источника. Традиционные методы разделения воды включают в себя электролиз, термолиз или фотокатализ. Кроме того, давно было известно, что вода может вступать в реакцию с объемным кремнием. В теории кремний может высвободить до 2 молей водорода на 1 моль кремния (или 14% своей массы). Кроме того, кремний в изобилии встречается на нашей планете, имеет высокую плотность энергии и не выделяет углекислый газ в результате реакции с водой. Однако этот путь получения водорода до сих пор был мало изучен, поскольку сама реакция протекает довольно медленно.
В своей последней работе группа ученых из University at Buffalo (США) показала, что ускорить этот процесс можно, применяя наночастицы кремния, вместо объемного материала. Причем, увеличение скорости реакции при уменьшении размеров фрагментов кремния до наномасштабов происходит гораздо быстрее, чем можно было бы ожидать (исходя из увеличения площади поверхности на единицу массы вещества). К примеру, наночастицы диаметром 10 нм позволяют провести реакцию получения водорода менее чем за минуту, а наночастицы диаметром 100 нм выполняют ту же процедуру почти за 45 минут. К слову, для получения водорода при реакции воды с объемным кремнием требуется в тысячу раз больше времени.
Чтобы понять, чем объясняется столь высокая разница в скорости протекания реакции при изменении масштаба наночастиц, исследователи провели эксперименты, в рамках которых реакция затормаживалась перед тем, как весь кремний был «выработан». Оказалось, что по мере протекания реакции 10 нм наночастицы кремния уменьшались в размерах, но не изменяли свою форму (оставаясь примерно сферическими). В отличие от них наночастицы диаметром 100 нм не равномерно уменьшались в размерах, образуя полые оболочки или капсулы со стенками, состоящими из нескольких монослоев кремния. Эти «стенки» замедляют ход реакции, поскольку представляют собой дополнительное препятствие, через которое должны диффундировать ее продукты.
Как считают сами ученые, по мере развития предложенный ими процесс может стать основой для питания энергией портативных устройств. Хотя, вероятно, техника не сможет использоваться для производства большого количества водорода, общая эффективность процесса вполне конкурентоспособна на рынке первичных батарей и других источников питания для портативных устройств. Исследовательская группа уже успешно протестировала свою идею в качестве источника питания для бытового вентилятора. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.
Кроме того, процесс поможет в будущем заменить громоздкие бензиновые и дизельные генераторы. Резервный источник энергии теперь может представлять собой небольшое количество водородных топливных элементов и пластиковые картриджи, содержащие нанопорошок кремния, куда при необходимости для запуска реакции требуется добавить воды.
В ближайшее время научная группа планирует переключиться на изучение полых наноструктур кремния, порождаемых реакцией крупных наночастиц с водой, чтобы понять, может ли водород быть получен с помощью этих частиц в сочетании с другими материалами. Кроме того, на их взгляд подобные полые наносферы могут быть применимы в других областях, к примеру, в качестве анодов для литий-ионных батарей.
Также по теме:
- Графен позволит эффективно хранить водородное топливо
- Черные дыры могут быть источником лития
- Нанопровода позволяют cоздавать новые солнечно-водородные материалы
- Биоводород теперь можно получать даже в присутствии кислорода
- Открыты предпосылки для создания принципиально новой методики лечения пациентов, перенесших инсульт
Источники: