Экспертное заключение подготовлено по итогам сессии ФБТ 2025
«Материалы для будущей энергетики».
Актуальность
Россия занимает одно из ведущих мест в мире по запасам нефти и природного газа, также обладает значительными запасами угля и урана, что обеспечивает энергетическую безопасность в долгосрочной перспективе. Однако существует потребность смотреть за горизонты на несколько поколений вперед, что предполагает заложение фундамента энергетики будущего уже сейчас.
Явление фотокатализа для получения водорода
Фотокаталитическое расщепление воды наиболее многообещающая технология для производства экологически чистого водородного топлива, поскольку и солнечный свет, и вода относятся к двум наиболее распространенным природным ресурсам нашей планеты. Кроме того, благодаря высокой плотности запасаемой энергии и отсутствию загрязняющих веществ при сгорании, переход на водородное топливо способствует достижению глобальной цели — нулевого баланса выбросов углерода. Преимуществом фотокаталитического расщепления воды является возможность использования как пресной, так и морской воды, и применение этого подхода не требует использования специальных электролитов, в отличие от электрохимического способа, что значительно снижает стоимость и время, необходимые для подготовки и затраты на осуществления самого процесса.
Солнце является постоянным источником энергии, поступающей на нашу планету. Мощность солнечного излучения, попадающего на Землю, составляет более 120 000 ТВт энергии в год, в то время как потребление энергии человеком, по некоторым оценкам, к 2050 году составит не более 30 ТВт в год. Поэтому синтез «солнечного» водородного топлива привлекает значительный интерес, поскольку он имеет потенциал для удовлетворения растущего глобального спроса на энергию, снижения выбросов парниковых газов и решения проблем, связанных с устойчивым энергоснабжением. Кроме того, как солнечный свет, так и вода находятся в изобилии и практически неисчерпаемы, следовательно, существует возможность достичь синтеза водорода на солнечных батареях в больших масштабах с помощью фотокаталитического расщепления воды под действием солнечного излучения. В связи с этим представляется актуальным поиск новых синтетических материалов для расщепления воды. Для этого перспективным методом исследования является компьютерное моделирование, которое уже позволяет получать данные о структуре и будущей эффективности новых материалов.
Несмотря на активные исследования, ведущиеся с момента открытия явления фотокаталитического расщепления воды в 1972 году, скорость и эффективность процесса получения водорода с использованием таких широко изученных фотокатализаторов, как оксиды титана, цинка и вольфрама все еще чрезвычайно мала, поскольку данные материалы могут эффективно работать только при ультрафиолетовом облучении, на долю которого приходится менее 5% всей солнечной энергии, что приводит к чрезвычайно низкому значению параметра эффективности преобразования энергии из солнечной в водородную. Несмотря на то, что проведенные исследования показали, что новые наноматериалы, такие как ZnIn2S4, g-C3N4, черный фосфор и дисульфид молибдена, могут быть использованы в качестве фотокатализаторов при облучении в видимом диапазоне света, их эффективность все еще не высока. В одном из актуальных исследований сообщалось о достижении показателя преобразования солнечной энергии в водород в 9.2% при использовании фотокатализатора на основе нитрида индия-галлия, что все еще недостаточно для повсеместного внедрения технологии и ее масштабирования до промышленного производства. Кроме того, экспериментальные исследования ранее предложенных теоретически экзотических наноматериалов несколько затруднены из-за сложности прогнозирования необходимых условий синтеза.
Перспективный подход заключается в использовании композитных материалов. Вместо применения отдельных наноматериалов можно использовать их комбинацию — гетеропереходы, состоящие из двух полупроводников, что приводит к более эффективному использованию фотонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах — так называемые Z или S схемы, получившие активное развитие в последние несколько лет из-за их преимуществ в миграции фотоиндуцированных носителей зарядов и их более эффективного разделения как с кинетической, так и с термодинамической точек зрения. Несмотря на большой прогресс в разработке фотокаталитических систем, на сегодняшний день все еще не существует универсального каталитического материала, способного осуществлять полное расщепление воды под действием солнечного излучения, обеспечивая высокий выход водородного топлива. Это указывает на актуальность развития темы материаловедения в области разработки новых эффективных гибридных материалов для реализации Z- и S-схем фотокатализа.
Помощь компьютерного моделирования
Компьютерное моделирование является мощным инструментом для поиска и разработки новых материалов в водородной энергетике. Этот подход позволяет исследователям эффективно анализировать огромное количество потенциальных материалов, прогнозировать их свойства и оптимизировать их структуру до начала физических экспериментов. Компьютерное моделирование помогает оптимизировать процессы хранения, производства и использования водорода, что значительно ускоряет переход к «зелёной» энергетике. Совместное использование различных методов моделирования и технологий машинного обучения открывает новые горизонты для создания материалов будущего.
Для поддержки и развития этого направления необходима непрерывная модернизация вычислительной инфраструктуры, создание единого цифрового пространства, в котором будет отслеживаться весь жизненный цикл новых материалов. Тесная кооперация с индустриальными партнерами, выражающими готовность пробовать и внедрять новые материалы для производства водорода.
Экспертные аналитические заключения по итогам сессий деловой программы Форума и любые рекомендации, предоставленные экспертами и опубликованные на сайте Фонда Росконгресс являются выражением мнения данных специалистов, основанном, среди прочего, на толковании ими действующего законодательства, по поводу которого дается заключение. Указанная точка зрения может не совпадать с точкой зрения руководства и/или специалистов Фонда Росконгресс, представителей налоговых, судебных, иных контролирующих органов, а равно и с мнением третьих лиц, включая иных специалистов. Фонд Росконгресс не несет ответственности за недостоверность публикуемых данных и любые возможные убытки, понесенные лицами в результате применения публикуемых заключений и следования таким рекомендациям.
