Кремниевый прорыв в водородной энергетике и не только

Недавно американские ученые нашли и разработали весьма оригинальный и эффективный способ получения водорода из воды. Для выделения этого газа они использовали наночастицы кремния (кратко об этом открытии мы уже писали). В итоге водород выделялся из воды при комнатной температуре, нормальном давлении и в достаточном количестве для того, чтобы заполнить им стандартный топливный элемент.

Использование водорода в качестве топлива — весьма привлекательная альтернатива, поскольку его запасы на нашей планете практически неисчерпаемы. Вспомнить хотя бы тот факт, что он входит в состав одного из самых распространенных на Земле веществ — воды.

Кроме того, при сгорании водорода не образуется токсичных и опасных продуктов, способных нанести вред природе. Однако, пока массовый переход на водородные двигатели мало реален, поскольку этот газ не так-то просто получить.

В частности, самым простым способом получения водорода из воды является ее электролиз, то есть разложение под действием электричества. Собственно говоря, получить ценный газ таким способом может каждый школьник, причем даже не в химической лаборатории, а у себя на кухне — достаточно лишь опустить в воду два электрода и подать на них ток. Однако для того, что бы с помощью этого способа произвести столько газа, сколько необходимо для работы, например электростанции хотя бы сутки нужно потратить чудовищное количество электроэнергии — столько, сколько данная электростанция произведет за трое суток.

Впрочем, электролиз воды не является единственным вариантом получения водорода из данного вещества. Этот газ также выделяется при реакциях вышеупомянутой воды с некоторыми веществами. Например, в 80-х годах прошлого века в СССР в Ленинградском политехническом институте велись работы по созданию автомобилей, работающих на водороде.

И топливо для них получали в реакторе, где с водой реагировал прогретый до 80–90°С магний (его подогревали с помощью водяного пара). Испытание установки прошло успешно, однако потом проект по непонятным причинам был закрыт (скорее всего из-за окончания финансирования).

Однако магний все же не самый дешевый метал, стоимость его на мировом рынке составляет где-то 3000 долларов за тонну. То есть полученный с его помощью водород все же будет дороже, чем бензин (при равных объемах). Поэтому ученые стали искать другие пути. Их внимание привлек алюминий — это куда более дешевый металл, да и получать его легче, нежели магний.

Однако есть некоторая проблема — он не вступает в реакцию с водой вплоть до температуры в 300°С, поскольку взаимодействию мешает очень плотный слой окиси, который покрывает данный металл.

Однако в 2007 году сотрудники Университета Purdue (США) разработали метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава с галлием. Последний создаёт вокруг алюминия пленку, предотвращающую его окисление. В результате реакции создается водород и оксид алюминия.

Причем водорода выделяется достаточно — согласно расчетам автомобиль среднего размера на водородном двигателе с 350 фунтами (то есть158 кг.) алюминия на борту может проехать 560 км. Для городского жителя, как вы понимаете, таких показателей вполне достаточно. Тем не менее, этот способ тоже нельзя назвать оптимальным.

    Во-первых, галлий является столь распространенным и дешевым металлом, нежели алюминий, то есть полученный водород все таки будет дороже, чем бензин.
    Во-вторых, для реакции все же требуется высокая температура — следовательно, двигатель нужно будет снабжать дополнительной системой охлаждения, что приведет к большим затратам энергии на само его обслуживание.

Поэтому ученые продолжили поиски реагента, который мог бы так же эффективно взаимодействовать с водой, как магний или сплав алюминия с галлием, но при этом не был бы дорогим и столь неудобным.

И тут некоторые из них вспомнили, что еще в конце XХ века в разных лаборатория проводились эксперименты по взаимодействию воды и кремния с целью получения водорода. Тогда они не привели к серьезному прорыву, ибо данный элемент реагировал в водой медленно и нужного газа получалось весьма мало. Однако такое происходило, если гранулы кремния были не менее 100 нм в диаметре. Но что будет, если засыпать в реактор еще более мелкие частицы?

И вот недавно группа исследователей под руководством Марка Свихарта из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (США) решили провести опыт с частицами кремния, чей размер не превышал 10 нм. В итоге скорость реакции резко выросла, и, соответственно водород выделялся из воды при комнатной температуре, нормальном давлении и освещении в 150 раз быстрее, чем в случае частиц в 100 нм (и в тысячу раз быстрее, нежели при использовании обычного чистого кремния).

Получившийся газ был достаточно чистым, с небольшой примесью водяных паров. Так что когда им заправили топливный элемент, то тот начал нормально работать. Интересно, что другие продукты реакции были не токсичными — кроме водорода получался кислород и кремниевые кислоты.

Так что же получается, дешевый способ производства водорода из воды наконец-то найден?

Увы, это не так — хоть кремний и является весьма распространенным элементом земной коры, однако производство из него однородных наночастиц требует большого количества энергии.

Однако г-н Свихарт считает, что разработанную его группой методику все же можно использовать для производства водорода и кислорода из воды в некоторых ситуациях — когда вода вокруг в изобилии, а иных источников энергии нет вовсе.

Например, если установить водородные топливные элементы на подводных лодках, то это увеличит время их автономного плавания, поскольку не нужно будет брать много топлива (порошок из наночастиц занимает очень мало места). А получаемый в результате реакции кислород тоже можно будет использовать, пишет.