Низкотемпературное и быстрое фототермическое окисление жидкого галлия для циклического производства водорода

Новый способ получения чистого топлива

Водород часто называют топливом будущего: при его сжигании образуется вода, а не дым или сажа. Но сегодня большая часть водорода производится из ископаемого топлива или с помощью дорогих, энергоёмких устройств. В этом исследовании предлагается другой путь: использование мягкого серебристого металла — галлия — вместе с обычной водой и даже морской водой для получения водорода в многоразовом, циклическом процессе, в котором основную энергию даёт солнечный свет.

Превращение света и металла в топливо

Учёные обнаружили, что крошечные капли жидкого галлия могут реагировать с водой с выделением водорода при нагреве светом. Галлий плавится чуть выше комнатной температуры, поэтому при умеренном нагреве он становится текучей жидкостью. При облучении капель они поглощают энергию и нагреваются, что ускоряет их реакцию с водой. В ходе этой реакции галлий превращается в твёрдое соединение — оксигидроксид галлия, а при этом выделяются пузырьки водорода. Поскольку галлий остаётся жидким, образующаяся на его поверхности твёрдая плёнка естественным образом откалывается, не запечатывая металл, — свежая поверхность остаётся открытой, и реакция может продолжаться быстро.

Циклическая петля вместо одноразового использования

Большинство химических реакций, производящих водород, безвозвратно расходуют металлические компоненты, оставляя трудноутилизируемые отходы. Напротив, в этой работе показано, что твёрдый оксигидроксид галлия, остающийся после производства водорода, не является тупиком. Его можно растворить в мягкой кислоте и восстановить обратно в жидкий галлий с помощью стандартного электрохимического оборудования — фактически, используя батарейную установку в обратном режиме. При подаче электроэнергии, желательно возобновляемой (солнечная или ветровая), шаг восстановления возвращает практически весь исходный галлий. Это значит, что одну и ту же партию металла можно многократно циркулировать, создавая замкнутый цикл производства водорода вместо одноразового процесса.

Быстрый, низкотемпературный водород из разных видов воды

В практических испытаниях команда получала капли галлия с помощью акустики, разрушая расплавленный металл на множество мелких частиц. Меньшие капли имеют большую площадь поверхности и эффективнее поглощают свет, что делает производство водорода быстрее и более полным. При интенсивном, но реалистичном освещении, эквивалентном концентрированному солнечному свету, 0,2 г капель галлия в воде полностью превращались в твёрдый продукт примерно за полтора часа, при этом выделялось количество водорода, близкое к теоретическому максимуму. Важно, что такая эффективность сохранялась не только в очищенной воде, но и в солёных растворах и в реальной морской воде, собранной у побережья, без необходимости отдельной опреснительной ступени.

Почему свет важнее простого нагрева

Учёные сравнили несколько способов инициирования реакции и выяснили, что прямое облучение капель было значительно эффективнее простого нагрева воды до той же температуры. Свет выполняет две функции одновременно: он согревает галлий и взаимодействует с тонким слоем твёрдого материала на поверхности капель, способствуя переносу электрических зарядов через интерфейс. Эти заряды облегчают дальнейшую реакцию металла с водой. Эксперименты с разными лампами, солнечным симулятором и сфокусированным естественным солнечным светом показали, что видимый свет особенно хорошо запускает такое «фототермическое» поведение, сочетая свет и тепло для ускорения образования водорода.

От лабораторной идеи к потенциальному энергоносителю

С точки зрения энергетического баланса, исследователи оценивают, что полный цикл — от реакции галлия с водой до восстановления металла — может достичь эффективности «туда и обратно» примерно 13 %, если солнечный свет считать бесплатным ресурсом. Хотя сам галлий недешёв, он многоразов, относительно нетоксичен и удобен для транспортировки и хранения как компактный носитель энергии. В работе рассматривается сценарий, при котором галлий может поставляться на прибрежные площадки, реагировать с морской водой под солнцем для производства водорода по требованию, а затем возвращаться для восстановления с использованием чистой электроэнергии. Проще говоря, исследование демонстрирует перспективный способ превращать солнечный свет и морскую воду в сохраняемое чистое топливо с помощью перерабатываемого жидкого металла, приближая идею водородной энергетической системы к практической реализации.

Цитирование: Campos, L.G.B., Allioux, FM., Fimbres Weihs, G. et al. Low temperature and rapid photothermal oxidation of liquid gallium for circular hydrogen production. Nat Commun 17, 1890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68664-1

Ключевые слова: производство водорода, жидкий галлий, солнечная энергия, топливо из морской воды, циклическая химия