Η Κίνα επιτυγχάνει μια νέα σημαντική ανακάλυψη στην έρευνα για τη μετατροπή του νερού σε καύσιμο.

Λεζάντα φωτογραφίας

Επιστήμονες εξετάζουν ένα δείγμα φωτοκαταλυτικού υλικού ημιαγωγού τροποποιημένου διοξειδίου του τιτανίου (TiO₂) στο Κέντρο Έρευνας Υλικών Shenyang – Ινστιτούτο Έρευνας Μετάλλων, Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, στις 7 Απριλίου. Φωτογραφία: Πρακτορείο Ειδήσεων Xinhua

Πριν από δεκαπέντε εκατό χρόνια, ο συγγραφέας επιστημονικής φαντασίας Ιούλιος Βερν προέβλεψε ότι το νερό θα γινόταν το απόλυτο καύσιμο του μέλλοντος. Σήμερα, οι επιστήμονες εργάζονται για να κάνουν αυτή την πρόβλεψη πραγματικότητα.

Ο Λιου Γκανγκ, διευθυντής του Ινστιτούτου Έρευνας Μετάλλων της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, δήλωσε ότι η κινεζική επιστημονική ερευνητική ομάδα πέτυχε πρόσφατα μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της «φωτοκαταλυτικής διάσπασης του νερού για την παραγωγή υδρογόνου».

Μέσω «αναδιάρθρωσης» και «αντικατάστασης στοιχείων» στο φωτοκαταλυτικό ημιαγωγό υλικό διοξείδιο του τιτανίου (TiO₂), η ομάδα βελτίωσε σημαντικά την απόδοση της παραγωγής αερίου υδρογόνου απευθείας από το ηλιακό φως.

Τα σχετικά ερευνητικά ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο Journal of the American Chemical Society στις 8 Απριλίου.

Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν δύο κύριες μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου από την ηλιακή ενέργεια.

Μια μέθοδος είναι η χρήση ηλιακών συλλεκτών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και στη συνέχεια η ηλεκτρόλυση του νερού - αν και εξαιρετικά αποδοτικός, ο εξοπλισμός είναι πολύπλοκος και ακριβός.

Η δεύτερη μέθοδος είναι η άμεση φωτόλυση χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως - χρησιμοποιώντας ημιαγωγικά υλικά όπως το διοξείδιο του τιτανίου για να «διασπάσουν το νερό» υπό το φως του ήλιου.

Η ομάδα του Liu Gang επικέντρωσε την έρευνά της στη δεύτερη μέθοδο.

Σύμφωνα με την εξήγηση, η παραδοσιακή μέθοδος χρήσης διοξειδίου του τιτανίου για τη διάσπαση του νερού αντιμετωπίζει ένα σημαντικό εμπόδιο: όταν το φως λάμπει πάνω στο διοξείδιο του τιτανίου, παράγονται στο εσωτερικό του φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια και οπές), τα οποία αποτελούν τα «εργαλεία» για τη διάσπαση του νερού. Ωστόσο, αυτά τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι ασταθή.

Ο Λιου Γκανγκ εξήγησε: «Τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι σαν αγωνιστικά αυτοκίνητα που έχουν χάσει τον δρόμο τους, συντρίβοντας τυχαία σε έναν λαβύρινθο από υλικές δομές. Τα περισσότερα θα ανασυνδυαστούν και θα εξαφανιστούν μέσα σε ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Επιπλέον, η κατασκευή σε υψηλή θερμοκρασία συχνά προκαλεί την «έξοδο» ατόμων οξυγόνου από τα σπίτια τους, δημιουργώντας κενά οξυγόνου και παγιδεύοντας ηλεκτρόνια, τα οποία μειώνουν την αποτελεσματικότητα της φωτοκαταλυτικής αντίδρασης».

Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ερευνητική ομάδα εισήγαγε δημιουργικά ένα «γειτονικό» στοιχείο του τιτανίου στον περιοδικό πίνακα - το σκάνδιο (Sc) - για να βελτιώσει το διοξείδιο του τιτανίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σκάνδιο έχει τρία σημαντικά πλεονεκτήματα:

Καταρχάς, η ιοντική ακτίνα του Sc είναι συγκρίσιμη με αυτή του Ti, επομένως μπορεί να ενσωματωθεί στο κρυσταλλικό πλέγμα χωρίς να παραμορφωθεί η δομή του.

Δεύτερον, η σταθερή κατάσταση σθένους του Sc βοηθά στην εξουδετέρωση της ανισορροπίας φορτίου που προκαλείται από το χάσμα οξυγόνου.

Τρίτον, τα ιόντα Sc μπορούν να αναδιαρθρώσουν την κρυσταλλική επιφάνεια, δημιουργώντας μια ειδική επιφανειακή δομή, όπως ακριβώς κατασκευάζονται «αυτοκινητόδρομοι και διασταυρώσεις για ηλεκτρόνια και οπές ηλεκτρονίων», βοηθώντας τα να ξεφύγουν από τον λαβύρινθο πιο εύκολα.

Χάρη σε εξελιγμένες προσαρμογές, η ομάδα κατασκεύασε με επιτυχία διοξείδιο του τιτανίου με εξαιρετική απόδοση: η ικανότητα απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας ξεπέρασε το 30% και η απόδοση παραγωγής υδρογόνου υπό προσομοιωμένο ηλιακό φως αυξήθηκε 15 φορές σε σύγκριση με παρόμοια υλικά, σημειώνοντας νέο ρεκόρ σε αυτό το σύστημα υλικών.

Ο κ. Liu Gang δήλωσε: «Εάν αυτό το υλικό χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός φωτοκαταλυτικού πάνελ 1 τετραγωνικού μέτρου, υπό την επίδραση του ηλιακού φωτός, μπορεί να παράγει περίπου 10 λίτρα αερίου υδρογόνου την ημέρα».

Οι ερευνητές πρόσθεσαν ότι το διοξείδιο του τιτανίου είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο ανόργανο υλικό στη βιομηχανία, με την Κίνα να αντιπροσωπεύει πάνω από το 50% της παγκόσμιας παραγωγής, σχηματίζοντας μια ολοκληρωμένη βιομηχανική αλυσίδα. Εν τω μεταξύ, η Κίνα διαθέτει επίσης τα μεγαλύτερα αποθέματα στον κόσμο του σκανδίου, του στοιχείου των σπάνιων γαιών. Αυτό δημιουργεί ένα πιθανό βιομηχανικό πλεονέκτημα για την ανάπτυξη και εφαρμογή φωτοκαταλυτικών υλικών στο μέλλον.

Καθώς η απόδοση της φωτοβολταϊκής διάσπασης νερού συνεχίζει να βελτιώνεται, αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα εφαρμογής σε βιομηχανική κλίμακα παραγωγής, οδηγώντας τον μετασχηματισμό της παγκόσμιας ενεργειακής δομής.

Πηγή: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm