Свершилось! Детальное описание строения первого готового к практическому использованию «искусственного листа» наконец-то опубликовано. Статья появилась в журнале Американского химического общества Accounts of Chemical Research. В публикации в частности отмечается, что, в отличие от многих ранее предложенных вариантов, использовавших по-настоящему дорогие компоненты, новое устройство создано из дешёвых материалов, а потому себестоимость его изготовления не будет высокой.
Более или менее полная информация об изобретении профессора Массачусетского технологического института (США) Дэниэла Носеры, которое способно эффективно разлагать воду на кислород и водород, появилась год назад. И вот теперь публике явлены основные технические подробности устройства.
Итак, попробуем разобраться с самого начала, что же это такое — искусственный лист. Часто говорят, что это устройство призвано эффективно воспроизводить начальный этап фотосинтеза, а точнее — разложение воды на кислород и водород при помощи света. Надо сказать, что у тех, кто хотя бы посещал уроки биологии, должно было в голове щёлкнуть: чего-чего, но вот выделения водорода при природном процессе фотосинтеза точно нет. Да, действительно, начальный этап фотосинтеза заключается в адсорбции солнечного света и его конвертации в пару «электрон — дырка», что аналогично процессу, протекающему в кремниевых солнечных батареях. Затем дырки используются внутри фотосистемы II для окисления воды до кислорода, а вот электроны и протоны идут на восстановление кофермента никотинамиддинуклеотидфосфата (НАДФ) до НАДФН в фотосистеме I, и никакого выделения водорода не происходит. В составе искусственного листа, конечно же, никаких коферментов нет, а потому электроны и протоны вынужденно рекомбинируют с выделением газообразного водорода.
В простейшем виде искусственный лист представляет собой светособирающий слой, помещённый между двумя пленками, на которых и происходит генерация кислорода и водорода. При помещении такого листа в ёмкость с водой на солнечном свету немедленно начинают образовываться пузырьки газа (смотрим видео), и выделяющийся водород может быть собран и использован в топливных элементах для генерирования электричества.
Подобные устройства особенно пригодились бы в удалённых сельских поселках начинающих развиваться стран. Если бы не одно «но»: они требуют применения платинового катализатора и дорогого производственного процесса. Всё это делает такой «листик» непозволительной роскошью даже для граждан небедных государств. Так было до Дэниэла Носеры.
Для того чтобы сделать устройство доступным, г-н Носера заменил дорогую платину, катализирующую восстановление протонов, на гораздо более дешёвый сплав никеля-цинка и молибдена (NiMoZn). Плёнка, находящаяся с обратной стороны «листа» и содержащая кобальт-фосфатные кластеры, взяла на себя обязанности по окислению кислорода. Как видно, все эти металлы широко распространены и дёшевы (в сравнении с платиной, оксидами благородных металлов и полупроводящими материалами). Подобно фотосистеме II с её кислород-окисляющим комплексом, кластеры кобальт-фосфаты самоорганизуются при окислении иона кобальта с 2+ до 3+ (окисление происходит дырками, что аналогично потере ионом металла электрона в направлении другого окислителя — светособирающего слоя). Материал прекрасно функционирует в обычной воде при комнатной температуре и способен к самовосстановлению. Исследование, проведённое с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии, показало, что кобальтовый комплекс существует в структурном типе марганцевого кубана Mn3CaO4, в котором кобальт замещает ионы марганца.
Дополнительные подробности строения светособирающего слоя и производительности устройства ищите в статье г-на Носеры.
