Добыча «зелёного» водорода с помощью солнечной энергии - это очень неэффективное занятие. Сначала электричество добывается панелями с низким КПД, а затем производится электролиз воды, что ещё сильнее снижает эффективность добычи. Учёные стремятся пропустить этап получения энергии и мечтают сразу превратить воду в водород и кислород, для чего нужны правильные катализаторы. И такие почти научились делать в Японии.

Для расщепления воды на водород и кислород группа японских исследователей создала двухэлектродный фотоэлектрический катализатор с очень большой продолжительностью срока службы. Создаваемые сегодня в лабораториях фотоэлектрохимические катализаторы остаются работоспособными не больше одной недели. Японская разработка расщепляет воду на водород и кислород непрерывно в течение 100 дней, что может считаться рекордом по эффективности. Для автономных необслуживаемых систем в отдалённых районах - это важнейшее свойство.

Впрочем, КПД катализаторов остаётся очень низким - на уровне 0,74 %. Большинство технологий по преобразованию солнечной энергии в «зелёный» водород работают с эффективностью 1-2 %. В Министерстве энергетики США считают, что солнечные установки по добыче «зелёного» водорода выйдут на коммерческий уровень при достижении КПД 5-10 %. Поэтому учёным и промышленности есть к чему стремиться. Но японские катализаторы даже при таком низком КПД остаются рекордсменами по эффективности, поскольку могут работать довольно долго при более простой реализации процесса.

Идея разработки японцев заключается в том, что анод делается полупрозрачным и лежащий ниже катод также использует свет для фотоэлектрохимической реакции. Анод изготавливается из диоксида титана (TiO2) - популярного сырья для производства белой краски, а катод делают из карбида кремния (SiC). Анод реагирует на ультрафиолетовый свет, а катод - на видимый. При этом на электроды подаётся определённое напряжение, чтобы запустить и поддерживать реакцию расщепления. Электроды опускаются в воду (очевидно, они должны быть едва покрыты водой), к ним подводится ток, а всё остальное делает падающий на катализаторы солнечный свет - очень простая схема.

Разработчики говорят, что проблема с низким КПД лежит в плоскости низкой эффективности диоксида титана. На следующем этапе учёные планируют найти замену этому материалу, чтобы к долговечности катализаторов добавить повышенный КПД.

Добавим, это не единственная перспективная разработка для добычи водорода с помощью солнечного света. Совместная работа итальянских и израильских учёных, например, привела к созданию катализаторов из полупроводниковых наностержней с покрытием из платиновых наносфер. КПД нанокатализаторов приблизился к 4 %. В 2019 году бельгийская исследовательская группа из KU Leuven сообщила о прототипе солнечной панели, которая поглощает влагу из воздуха и расщепляет её на водород и кислород с 15-процентной эффективностью. Есть и другие интересные разработки, что в итоге приведёт к желаемому результату - миру, где дышать станет чуточку легче.