Массачусетские исследователи предложили новый способ расщепления воды — технологической основы работы топливных элементов. При всех достоинствах открытия, скорой победы солнечно-водородной энергетики ожидать не стоит…

Изнывающее от энергетического кризиса человечество ищет новых научных героев. Буксующей мировой экономике срочно требуются визионеры и гуру, способные вытащить ее из углеводородного болота и предложить красивую долгоиграющую альтернативу опостылевшим нефти, газу и прочим «грязным» ресурсам. Нынешним летом в роли одного из таких кандидатов в спасители планеты оказался американский химик из Массачусетского технологического института (MIT) Дэниел Носера, неутомимый исследователь технологий и методов эффективного использования солнечной энергии. Написанная им в соавторстве с молодым аспирантом Мэтью Кэнаном небольшая статья, опубликованная в последнем июльском номере авторитетного журнала Science, буквально за пару-тройку дней совместными усилиями многочисленных западных СМИ стала первополосным хитом и неисчерпаемым источником для эффектных спекуляций и оптимистических сценариев скорого преображения Земли в энергетический рай.

Рисунок: Константин Батынков

Лабораторные эксперименты Носеры и Ко были по горячим следам провозглашены «открытием дороги для будущей водородной экономики», «важнейшим научным прорывом в использовании солнечной энергии», «первой успешной попыткой искусственной имитации фотосинтеза» (важнейшего природного процесса, благодаря которому растительные клетки накапливают солнечную энергию в виде различных углеводов), «приближением к солнечной нирване, о возможности которой мы так мечтали на протяжении многих лет». Немецкий химик Карстен Мейер из Университета Фридриха Александера причислил полученные американцами результаты ни много ни мало к «одним из самых важных открытий столетия в области исследований солнечной энергии», а его часто цитируемый британский коллега Джеймс Барбер (Имперский колледж Лондона) назвал работу Носеры и Кэнана «гигантским прыжком вперед по направлению к чистой безуглеродной энергетике будущего».

Но, пожалуй, сильнее всех прочих «зажег» обозреватель влиятельного U.S. News & World Report Джеймс Петокукис, написавший 4 августа в своей редакционной колонке, что «текущее падение цен на нефть ниже 120 долларов за баррель во многом является следствием появившихся недавно в прессе сообщений об открытии химиком MIT Дэниелом Носерой дешевого и простого способа получения водорода (выделено нами. — «Эксперт») из воды». Г-н Петокукис здесь погорячился как минимум дважды: во-первых, он явно переоценил аналитическую смекалку биржевых спекулянтов, которые в своих действиях руководствуются куда более примитивными сигналами и рефлексами, а во-вторых, совершенно не разобрался с сутью научных изысканий американских ученых.

Впрочем, на фоне этих бурных восторгов не остались незамеченными и критические рецензии скептиков, особенно активно высказывавших свои сомнения в различных маргинальных интернет-блогах. Так, один из соотечественников Носеры озаглавил свой комментарий весьма саркастически: «Наш ученый разделяет воду, спасает мир, становится звездой телевидения», в другом развернутом резюме отмечается, что «сделанное химиками MIT “великое открытие” не имеет реального практического выхода и ни в коей мере не будет способствовать быстрому прогрессу водородной энергетики».
Так что же на самом деле удалось создать Дэну Носере и Мэтью Кэнану в лаборатории MIT и так ли уж обоснованы хвалебные оценки мейнстримовского научпопа?

Кобальтовое прозрение

Носерой и его учеником была предложена новая перспективная схема водного электролиза — расщепления воды на кислород и водород при комнатной температуре, обычном атмосферном давлении, в нейтральной рН-среде и при помощи элементарного научного оборудования. Причем основным достижением американских химиков стало создание принципиально нового катализатора, существенно ускоряющего процесс выделения кислорода на одном из двух электродов (аноде). 

 
Химик из Массачусетского технологического института Дэниел Носера утверждает, что знает путь к безуглеродной энергетике будущего
Фото: AP

Разработка эффективной технологии производства кислорода из воды — важнейшая (хотя, разумеется, и не главная) составная часть общего процесса водного электролиза. Что же касается его главной цели — водорода, который выделяется на втором электроде (катоде), то, судя по комментариям самих создателей электролизера, они на данном этапе исследований вообще не ставили перед собой цели усовершенствовать технологию водородной составляющей. Именно в этом и заключается «второй ляпсус Петокукиса»: новая технология Носеры и Кэнана отнюдь не решает задачу более простого и дешевого получения из воды водорода, она специально заточена на простое и дешевое получение кислорода.

Вплоть до недавнего времени в качестве основного катализатора водного электролиза учеными использовалась крайне дорогостоящая платина. Текущие биржевые цены на платину достигли заоблачных высот — почти 2000 долларов за тройскую унцию, и, как нетрудно догадаться, ее дальнейшее активное применение в этом процессе стало коммерчески неоправданным. На протяжении достаточно длительного времени ученые-химики ломали голову над проблемой поиска более дешевой альтернативы этому металлу. В качестве одной из них рассматривался никель или даже нержавеющая сталь с высоким содержанием никеля (опыты с использованием никеля как катализатора продолжаются и сегодня).

Носера и его команда пошли по другому пути. Изобретенный ими альтернативный катализатор отчасти был найден самым распространенным среди ученых-экспериментаторов методом, по-простому — методом научного тыка: Носера долгое время экспериментировал с редкими металлами родием и иридием, получал на их основе хорошо работающие катализаторы, но с коммерческой точки зрения дальнейшее использование этих экзотических металлов (как и платины) было не слишком оправданным. В Периодической таблице элементов Менделеева родий и иридий стоят в одном столбце, то есть являются металлами со схожими свойствами, а еще одной строчкой выше в том же столбце представлен кобальт, куда более доступный металл. Именно кобальт стал тем элементом, использование которого позволило в итоге Носере получить рецепт каталитической смеси.

Впрочем, для нужного эффекта помимо кобальта в растворе потребовалось присутствие и других химических компонентов, в частности фосфата калия и, предположительно, «еще чего-то».

Судя по всему, точный состав катализатора держится Носерой и его коллегами в секрете. По крайней мере весьма показательно, что в описаниях различными западными СМИ содержимого «мензурки Носеры» практически невозможно найти 100−процентного совпадения использованных учеными химических компонентов и соединений. И, что также пока вызывает вполне обоснованный скепсис, до сих пор невыясненным остается конкретный механизм протекания химических реакций в новом электролизере.

До фотосинтеза далеко

В описании авторов анод, сделанный из оксидов индия и олова, и платиновый катод помещались в раствор, содержащий ионы кобальта и соли фосфора. Под воздействием напряжения ионы кобальта и фосфат образовывали тонкую пленку на аноде: ионы CO2+ теряли электроны с образованием CO3+, который выпадал в осадок с фосфат-анионами. После дальнейшего окисления до ионов CO4+ пленка катализатора отрывала электроны от воды, в результате чего образовывались атомы кислорода и протоны (H+). Далее атомы кислорода собирались на поверхности пленки, и пузырьки кислородного газа поднимались вверх, а кобальт с анода восстанавливался до CO2+ и переходил в раствор, регенерируя катализатор. Параллельно протоны из раствора переносились фосфат-анионами к обычному платиновому катоду, на котором они присоединяли электроны с образованием молекулярного водорода.

Как полагает Дэн Носера, использование платиновых электродов для получения водорода пока еще вполне технологически оправданно, тогда как для кислородной генерации они куда менее эффективны, так как «потребляют слишком много лишней энергии». Впрочем, по мнению Носеры, в недалеком будущем и на втором электроде (катоде) вместо платины будет применен другой катализатор.

У предложенной Носерой и его коллегами электролитической схемы есть немаловажное достоинство — способность анодной пленки к регенерации (после отключения тока она заново растворяется в жидкости с образованием ионов Co2+), чего, скажем, нет даже у природного механизма разделения воды в растениях: «пептидное подразделение» листьев растений, отвечающее за получение кислорода, каждые тридцать минут вынуждено полностью обновляться.

В то же время часто используемое как самим Носерой, так и многими комментаторами его экспериментов сравнение разработанного нового каталитического процесса с процессом природного фотосинтеза едва ли следует признать корректным. На самом деле, в случае с природным фотосинтезом все работает намного сложнее. В частности, помимо светлого фотосинтеза существует еще и предваряющая его стадия темного фотосинтеза, помимо сходной начальной фазы, на которой растениями тоже вырабатывается кислород и водород; в дальнейшем полученный водород (кстати, водород в твердой фазе, а не в газообразной, как в технологии искусственного электролиза), комбинируясь с СО₂, образует в листьях различные углеводные производные (сахара, крахмалы) и т. д. Иными словами, смелые претензии Носеры на искусственное воссоздание процесса природного фотосинтеза при помощи простенького лабораторного электролизера пока не выдерживают серьезной критики.

Ждем солнечную экономику

Разработанный Носерой новый электролизер, по идее его создателя, может быть объединен в единое целое с солнечной батареей (фотогальваническим элементом) — то есть пропускаемый по электродам ток в идеале вырабатывается благодаря преобразованию солнечной энергии фотогальваническими элементами (альтернативный вариант — ветряные турбины или еще что-нибудь экологически чистое).

В свою очередь образующиеся в электролизере свободные водород и кислород могут затем специально подводиться к топливному элементу, сохраняющему в ночное время наработанное электричество и обеспечивающему обратное превращение водорода и кислорода в воду. Иными словами, американский химик на базе своей разработки предлагает создание большой замкнутой системы «солнечная энергия — фотогальванические элементы — электрический ток — водный электролиз — топливные элементы — вода». В частности, Дэн Носера всерьез надеется, что уже через десять лет любой домовладелец (по крайней мере в США) сможет использовать разработанную им технологию для автономного обеспечения своего жилища энергией без подключения к энергосетям: днем посредством солнечных батарей, а ночью благодаря сохраненному топливными элементами электричеству.

Вообще же, по его мнению, в долгосрочном плане именно вода (разделяемая на водород и кислород) в сочетании с солнечным светом должна стать главным источником возобновляемой энергии. В одном из своих недавних интервью он представил такой сценарий энергетического будущего мировой экономики: «В среднесрочной перспективе (в ближайшие нескольких десятилетий), безусловно, необходимо использовать все имеющиеся на сегодня альтернативные энерготехнологии — биотопливо, ядерное топливо, геотермальные источники, энергию ветра и приливных волн. Но как только нам удастся разработать экономически эффективные технологии использования солнечной энергии, по всей видимости, именно она станет основой мировой электроэнергетики. Причем я полагаю, что научная часть задачи — создание конкурентоспособных новых технологий и материалов, обеспечивающих эффективную переработку и хранение солнечной энергии, — будет решена в течение ближайших двадцати лет. Впрочем, этого, конечно, будет недостаточно: далее все упрется в вопрос, насколько быстро человечество сможет осуществить масштабную перестройку экономики под солнечную энергетику. На этот этап уйдет, скорее всего, еще лет десять-двадцать. Итого, полагаю, массовый переход на солнечную энергетику может произойти примерно через сорок лет».

Однако подобные оптимистические прогнозы сегодня едва ли можно отнести к числу мейнстримовских. Более сдержанные в своих оценках аналитики высказывают серьезные сомнения относительно скорого победного марша солнечно-водородной энергетики. В частности, многие из них отмечают, что переход от концентрированных и легкотранспортируемых источников топлива (прежде всего конвертированной в бензин и дизельное топливо нефти) к нестабильной комбинации «солнечная энергия — водород» (безопасная транспортировка последнего до сих пор вызывает технические проблемы) чреват крайне непредсказуемыми экономическими последствиями, в том числе связанными с серьезными инфраструктурными издержками.

В погоне за грантом

К сожалению, получить развернутые комментарии относительно перспектив использования электролизера Носеры у спешно опрошенных крупнейших российских специалистов по водородной энергетике и технологии создания топливных элементов из Института катализа СО РАН и Института теплофизики СО РАН (Новосибирск) нам не удалось — маститые эксперты затруднились давать какие-либо оценки, не имея перед глазами самого текста статьи Носеры и Кэнана в Science.

По словам согласившегося на небольшой комментарий научного сотрудника кафедры молекулярной физики физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова Кирилла Кучкина, «чтобы говорить о преимуществах или недостатках этого процесса по сравнению с уже существующими, необходимо сначала понять его энергетический и химический баланс. Как температура и сила тока влияют на сам процесс, как температура и давление влияют на его интенсивность, наконец, какова вообще скорость электролиза? Пока имеющейся открытой информации по этим ключевым моментам очень мало, поэтому я воздержусь от каких-либо оценочных комментариев». В то же время г-н Кучкин осторожно предположил, что «такой способ производства электроэнергии, по-видимому, будет эффективным для распределенной генерации (то есть снабжения частных домохозяйств), но его вряд ли можно будет использовать для промышленных крупнотоннажных производств».

В целом следует признать, что пока заявленные Носерой и его соратниками научные результаты, а равно и претензии на быструю коммерческую реализацию разработки вызывают слишком много вопросов и сомнений. Причем помимо многочисленных недоговорок самих американских исследователей обращает на себя внимание и довольно странное совпадение между официальным выходом 31 июля их статьи в Science и получением буквально через три дня нового гранта от спонсирующего исследования Национального научного фонда США (NSF) на 20 млн долларов

www.Expert.ru