Водород научились генерировать из морской воды и солнечной энергии

Среда, 27 Марта 2019
Водород научились генерировать из морской воды и солнечной энергии

Экономичное и эффективное преобразование воды в водород и кислород с помощью электричества (электролиз) было целью ученых на протяжении десятилетий.

Количество энергии на килограмм водорода примерно в 2,5 раза больше, чем у природного газа, и, самое главное, единственным побочным продуктом сжигания водорода для получения энергии является вода. В будущем водород может питать все - от автомобилей до зданий. Но производство водорода из воды в глобальном масштабе может создать нагрузку на источники чистой воды, необходимые для питья, а также на другие промышленные процессы.

Команда химиков из Стэнфордского университета разработала способ преобразования морской воды, которая составляет около 97% всей воды на Земле, в водород.

Типичный электролизер состоит из двух металлических электродов - анода и катода, которые погружены в раствор электролита и разделены мембраной. Когда электричество пропускается через раствор, кислород анодирует пузырьки, а водород - катод. Чтобы свести к минимуму количество энергии, необходимое для высвобождения водорода из воды, оба электрода обычно покрыты катализатором. Устройство, разработанное командой Стэнфорда, имеет много общего с коммерческими электролизерами, но с критическими настройками, которые позволяют использовать морскую воду вместо пресной.

Соль в морской воде, или хлорид натрия, состоит из отрицательно заряженных атомов хлора и положительно заряженных атомов натрия. В то время как для человека его потребление относительно безопасно, хлорид в морской воде создает значительные проблемы для электролиза, поскольку вызывает быструю коррозию металлического анода. Соль можно отделить, но для этого потребуется дорогостоящий и энергоемкий процесс опреснения. Чтобы избежать опреснения воды, ученые решили разработать электроды, способные противостоять коррозии при электролизе морской воды.

Анод сделали из пористого токосъемника из никелевой пены, покрытого высокоактивным и недорогим катализатором, изготовленным из никеля и железа. Сам катализатор не подвержен коррозии, но нижележащий металлический проводник легко подвергается коррозии при контакте с раствором хлорида.

Чтобы решить проблему коррозии, команда из Стэнфорда нашла способ предотвратить миграцию хлорид-ионов через слой катализатора и предотвратить их попадание в металл. Потребовалась высокая плотность отрицательно заряженных молекул сульфата и карбоната в слое катализатора и на границе раздела металл-катализатор. Поскольку молекулы с одинаковым зарядом отталкивают друг друга, сульфатные и карбонатные ионы блокируют транспортировку хлорид-ионов и позволяют электроду работать избегая коррозии.

Стабилизированный анод способен электролизовать морскую воду до 1 тысячи часов при той же плотности тока, которая используется в промышленных электролизерах. Исследователи даже втрое увеличили концентрацию соли по сравнению с настоящей морской водой, и электролизер все равно стабильно работал тысячу часов.

Такой электролиз воды можно делать при помощи электричества, поступающего из возобновляемых источников.  Солнечный элемент на основе перовскита, использованный в работе исследователей, потенциально недорог и способен достичь впечатляющей эффективности преобразования энергии в скором будущем.  Тем не менее, перовскитовые солнечные элементы все еще находятся в стадии разработки, поэтому фактическое используемое устройство составляло менее одного сантиметра в квадрате. Для создания плотности тока, соответствующей промышленным требованиям, с помощью энергии света, команда использовала коммерческий кремниевый солнечный элемент для подачи почти 1 А/см2 электричества через электролизер при дневном солнечном свете в студенческом городке Стэнфорда.

Следите за новостями в социальных сетях:

Спасибо, я уже в группе