В настоящее время растущий спрос на чистые и возобновляемые источники энергии стимулирует развитие технологий преобразования солнечной энергии в топливо с нулевыми выбросами. Водород, как перспективный энергетический носитель, особенно интересен благодаря своей экологической чистоте и высокой энергетической плотности. Однако для его массового производства остаются серьезные технологические вызовы, связанные с эффективностью, стабильностью и масштабируемостью систем преобразования солнечной энергии. Среди них особенно выделяется технология искусственного листа, имитирующая фотосинтез природного растения и позволяющая интегрировать светопоглощающие и каталитические элементы в одном компактном устройстве без необходимости внешней проводки. Такой подход сокращает пространство, затраты оборудования и улучшает эффективность за счет снижения потерь на сопротивление.
Недавние исследования демонстрируют создание искусственного листа размером с модуль (около 16 см²), который преобразует солнечную энергию в водород с эффективностью более 10%, устанавливая новый стандарт в области солнечных водородных технологий. Основой высокоэффективного искусственного листа выступают перовскитные материалы на основе формамидиниевой соли PbI3 (FAPbI3), допированные хлором для повышения стабильности и эффективности. Такие перовскиты имеют оптимальный диапазон ширины запрещенной зоны (1.23–2.0 эВ), что обеспечивает высокий фотопотенциал около 1.
0–1.2 В, необходимый для эффективного разложения воды. Однако перовскитные солнечные элементы традиционно страдают от нестабильности из-за взаимодействия с водой и ультрафиолетовым излучением. Для решения этих проблем исследователи применили инновационное сочетание хлорсодержащего SnO2 в качестве электронного транспортного слоя (ETL) и хлор-допированного FAPbI3 как светопоглощающего слоя. Такая комбинация улучшила как передачу электронов, так и стабильность перовскита под воздействием УФ-излучения и воды.
Для защиты чувствительных материалов от деградации было использовано уникальное многослойное покрытие с никелевыми фольгами, включающее малый слой серебряных покрытий на полиметилметакрилатовом клее, что обеспечивало надежный электрический контакт и гидроизоляцию. Катализаторы на основе оксигидроксида никеля-железа-кобальта (NiFeCo) служили в роли кислородного эволюционного катализатора (OEC), демонстрируя высокую активность и долговечность без использования дорогостоящих платиновых металлов. Для катализатора выделения водорода (HER) применяли кобальт-сульфид-молибден-сульфид со слабым добавлением платинового компонента (~0.1% по массе), что обеспечивало эффективное и стабильное восстановление протонов. Уникальной особенностью устройства является модульная конфигурация, объединяющая 16 фотогальванических элементов в матрицу 4×4 с параллельным и последовательным соединением для оптимизации рабочего напряжения и тока.
Такая архитектура способствует масштабируемости с минимальными потерями эффективности – менее 10% при увеличении площади более чем в десять раз, что подтверждено экспериментальными данными. При этом фототок плотностью до 24 мА/см² и стабильностью работы на протяжении 140 часов успешно поддерживались даже при прямом контакте с электролитом при pH 14. Эксплуатация устройства в условиях естественного солнечного освещения AM 1.5G демонстрировала устойчивое разделение воды на водород и кислород в молярном соотношении 2:1 с фарадеевской эффективностью свыше 90%. Это подтверждает высокую селективность и эффективность каталитических процессов в искусственном листе.
Усовершенствованная упаковка и использование кольцевого PEC-реактора защищают перовскитные слои и клеевые соединения от протекания электролита, продлевая срок службы и снижая деградацию под воздействием света и среды. Технология искусственного листа с перовскитными фотоэлектродами предлагает значительные преимущества по сравнению с традиционными PV-EC и PEC системами. Она сокращает установочные габариты, снижает затраты на материалы и обеспечивает меньшие потери электропроводности за счет отсутствие внешних проводников. Кроме того, данные материалы более просты в промышленном масштабировании благодаря унифицированным технологическим процессам нанесения покрытий и инкапсуляции. Несмотря на высокий уровень достигнутой эффективности, существуют задачи, которые требуют дальнейшего решения.
Одной из ключевых является обеспечение надежного протонного транспорта между анодной и катодной сторонами, поскольку в параллельной архитектуре электролит имеет однородный состав и pH, но разделение продуктов реакций сопровождается сложностями. Возможным решением станет интеграция мембран или переход к тандемным структурам, обеспечивающим отдельный сбор и очистку газов водорода и кислорода. Не менее важным направлением является дальнейшая оптимизация долговечности материалов, повышение устойчивости перовскитов к фотокоррозии и улучшение методов инкапсуляции, что позволит повысить срок службы искусственных листьев до коммерчески приемлемых уровней. Также стоит развивать более экологичные составы катализаторов с минимальным использованием или полной отсутствием дорогостоящих и редких элементов. В контексте глобальной энергетической трансформации искусственные листья с эффективностью солнечно-водородного преобразования, превышающей 10%, открывают путь к практическому и масштабируемому производству «зеленого» водорода.
С ростом вложений в исследования и развитие технологий, подобные модули могут стать ключевым звеном в переходе на устойчивую энергетику, стимулируя декарбонизацию и создание экономики, основанной на возобновляемых источниках энергии. В целом, текущее достижение представляет собой революционный прорыв в области фотоэлектрохимии воды, совмещая научные инновации в материаловедении, катализе и системной инженерии для создания практичных устройств, способных конкурентно и надежно производить экологически чистое топливо. Применение таких искусственных листьев позволит значительно снизить зависимость от ископаемых энергоносителей, расширить возможности использования солнечной энергии и создать основу для устойчивого будущего с водородной энергетикой.
