Введение

Химическая реакция

Разложение воды — это химическая реакция, в которой вода расщепляется на кислород и водород:

2 H2O → 2 H2 + O2

Эффективное и экономичное разложение воды стало бы технологическим прорывом, который мог бы положить начало водородной экономике. Разложение воды происходит в процессе фотосинтеза, однако водород при этом не производится. Обратная реакция разложению воды лежит в основе водородного топливного элемента. Использование солнечного излучения для разложения воды пока не получило коммерческого применения.

Разделение воды при фотосинтезе

Версия расщепления воды происходит в фотосинтезе, но электроны направляются не к протонам, а к цепи транспорта электронов в фотосистеме II. Электроны используются для восстановления углекислого газа, который в конечном итоге включается в состав сахаров. Фотовозбуждение фотосистемы I инициирует перенос электронов к ряду электронных акцепторов, в конечном итоге восстанавливая NADP+ до NADPH. Окисленная фотосистема I захватывает электроны из фотосистемы II посредством ряда этапов, включающих пластохинон, цитохромы и пластоцианин. Окисленная фотосистема II окисляет кислородовыделяющий комплекс (КВК), который преобразует воду в O2 и протоны. Поскольку активный центр КВК содержит марганец, значительная часть исследований направлена на синтетические соединения марганца в качестве катализаторов окисления воды. В биологическом производстве водорода электроны, генерируемые фотосистемой, направляются не к аппарату химического синтеза, а к гидрогеназам, что приводит к образованию H2. Этот биоводород производится в биореакторе.

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Использование электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими системами, потенциально является самым экологически чистым способом производства водорода, за исключением ядерного, ветрового, геотермального и гидроэлектрического. Как и в случае с электролизом, вода расщепляется на водород и кислород, но электрическая энергия получается посредством фотоэлектрохимического процесса (PEC). Эта система также известна как искусственный фотосинтез. Разработка часто сосредоточена на катализе и протонно-обменных мембранах.

Фотокаталитическое расщепление воды

Преобразование солнечной энергии в водород посредством процесса расщепления воды может оказаться более эффективным при использовании фотокатализаторов, взвешенных в воде, чем при использовании фотоэлектрической или электролитической системы, поскольку реакция протекает в один этап.

Радиолиз

Энергичное ядерное излучение способно разрывать химические связи молекул воды. В золотодобывающей шахте Мпоненг (Южная Африка) исследователи обнаружили в зоне с естественным высоким уровнем радиации сообщество, доминирующим видом в котором является новый филотип Desulfotomaculum, использующий в качестве основного источника энергии радиолитически образовавшийся H2.

Тепловое разложение воды

В термолизе молекулы воды расщепляются на водород и кислород. Например, примерно три процента всей H2O диссоциируют в различные комбинации атомов водорода и кислорода, преимущественно H, H2, O, O2 и OH. Другие продукты реакции, такие как H2O2 или HO2, остаются в незначительных количествах. При очень высоких температурах разлагается более половины молекул воды. При комнатной температуре диссоциирует лишь одна молекула из 100 триллионов под воздействием тепла. Высокие температуры и ограничения материалов ограничили применение этого подхода. Другие исследования посвящены термолизу на дефектных углеродных подложках, что позволяет производить водород при температурах, незначительно превышающих единицу. Одним из дополнительных преимуществ ядерного реактора, производящего как электроэнергию, так и водород, является возможность переключения между этими видами производства. Например, атомная электростанция может производить электроэнергию днем и водород ночью, адаптируя свой профиль выработки электроэнергии к суточным колебаниям спроса. Если водород удастся производить экономически выгодно, эта схема будет успешно конкурировать с существующими системами хранения энергии в энергосети. По состоянию на 2005 год спрос на водород в США был достаточным для покрытия всех пиковых нагрузок электрогенерации с помощью подобных установок. Гибридный термоэлектрический цикл медь-хлор является когенерационной системой, использующей отработанное тепло ядерных реакторов, в частности сверхкритического водяного реактора CANDU.