Кіріспе

Химиялық реакция

Суды бөлу – судың оттегі мен сутегіге ыдырауына алып келетін химиялық реакция:

2 H2O → 2 H2 + O2

Суды тиімді және экономикалық түрде бөлу – сутегі экономикасын дамытуға мүмкіндік беретін маңызды технологиялық жетістік болар еді. Судың бөлінуіне ұқсас процесс фотосинтезде жүреді, бірақ онда сутек пайда болмайды. Суды бөлу реакциясының кері процесі сутегі отын жасушасының негізінде жатыр. Күн сәулесін пайдаланып суды бөлу әлі коммерциялық деңгейде енгізілген жоқ.

Судың фотосинтезде бөлінуі

Судың бөлінуінің бір түрі фотосинтезде жүзеге асады, бірақ электрондар протонға емес, фотожүйе II-дегі электрондық тасымалдау тізбегіне бағытталады. Электрондар көмірқышқыл газын тотығу арқылы кемітіп, оны ақырында қанттар құрамына енгізеді. Фотожүйе I-дің фотоқоздырылуы электронды қабылдағыштардың тізбегіне электрондық трансферді бастайды, нәтижесінде NADP+ NADPH-қа дейін тотығып кетеді. Тотыққан фотожүйе I пластохинон, цитохромдар және пластоцианин қатысатын бірнеше қадам арқылы фотожүйе II-ден электрондарды қабылдайды. Тотыққан фотожүйе II суды О2 және протонға айналдыратын оттек түзетін кешенді (ОТК) тотықтырады. ОТК белсенді орталығында марганец болғандықтан, көптеген зерттеулер судың тотығуына катализатор ретінде синтетикалық Mn қосылыстарын зерттеді. Биологиялық сутегі өндірісінде фотожүйеде түзілген электрондар химиялық синтез аппаратына емес, гидрогеназаларға бағытталады, нәтижесінде H2 пайда болады. Бұл биосутегі биореакторда өндіріледі.

Суды фотоэлектрохимиялық бөлу

Фотовольтаикалық жүйелермен өндірілген электр энергиясын пайдалану, ядролық, жел, геотермалдық және су электр станцияларынан басқа, сутегі өндірудің ең таза жолы болуы мүмкін. Су электролиз арқылы сутек пен оттегіге ажыратылады, бірақ электр энергиясы фотоэлектрохимиялық жасуша (ФЭЖ) процесі арқылы алынады. Бұл жүйе жасанды фотосинтез деп те аталады. Катализ және протондық тасымалдау мембраналары әдетте дамытутың негізгі бағыттары болып табылады.

Фотокатализдік суды бөлу

Күн энергиясын суды бөлу процесі арқылы сутекке түрлендіру, егер бұл процесс суда шашырылған фотокатализаторлардың көмегімен жүзеге асырылса, фотоэлектрлік немесе электролиттік жүйеге қарағанда тиімдірек болуы мүмкін, сонда реакция бір қадамда өтеді.

Радиолиз

Энергиялық ядролық сәуле су молекуласының химиялық байланыстарын үзе алады. Оңтүстік Африкадағы Мпоненг алтын кенішіндегі зерттеушілер табиғи түрде жоғары радиациялық аймақта, негізінен радиологиялық ыдырау арқылы түзілген H2-мен қоректенетін Desulfotomaculum бактериясының жаңа түрін анықтады. Бұл бактериялардың қауымдастығы басым болып табылады.

Судың жылулық ыдырауы

Термолизде су молекулалары сутек пен оттегіге бөлінеді. Мысалы, барлық H2O-ның шамамен үш пайызы әртүрлі сутек пен оттегі атомдарының комбинацияларына, негізінен H, H2, O, O2 және OH-қа ыдырайды. H2O2 немесе HO2 сияқты басқа реакция өнімдері аз мөлшерде қалады. Өте жоғары температурада су молекулаларының жартысынан астамы ыдырайды. Қоршаған орта температурасында 100 триллион молекуланың біреуі ғана жылудың әсерінен ажырасады. Жоғары температуралар мен материалдық шектеулер осы тәсілдің қолданылуын шектеді. Басқа зерттеулерге кемшіліктері бар көміртек субстраттарындағы термолиз кіреді, осылайша сутегін өндіру температураны төмендету арқылы мүмкін болады. Ядролық реактор электр энергиясын күндіз, ал сутегін түнде өндіре алады, бұл оның электр энергиясын өндіру профилін сұраныстың күндізгі өзгерісімен сәйкестендіреді. Егер сутегі экономикалық тұрғыдан өндірілсе, бұл схема энергияны сақтаудың қолданыстағы желілік жүйелерімен бәсекелесе алады. 2005 жылы АҚШ-та сутегіге деген сұраныс жеткілікті болды, сондықтан мұндай станциялар күнделікті шың өндірістің барлығын қамтамасыз ете алды. Гибридтік термоэлектрлік мыс-хлор циклы – ядролық реакторлардың, әсіресе CANDU суперкритикалық су реакторының қалдық жылуын пайдаланатын когенерациялық жүйе.