Вдохновлялись листьями: ученые создали устройство, извлекающее водород из морской воды

Учёные из Наньянского технологического университета (NTU) в Сингапуре разработали устройство на солнечной энергии, которое производит водород из морской воды, одновременно разлагая гидразин — высокотоксичный промышленный загрязнитель. Исследователи описывают систему как подход двойного назначения, сочетающий производство чистого топлива с очисткой сточных вод. В работе используется солнечный свет для выработки электроэнергии, необходимой для протекания химических реакций. Вдохновленное способом, с помощью которого листья поглощают солнечный свет, устройство работает без внешнего источника питания.

Катализатор изменяет реакцию электролиза

Зеленый водород обычно получают с помощью электролиза, в ходе которого под действием электричества молекулы воды расщепляются на водород и кислород. Электроны поступают к катоду, или отрицательному электроду, где они способствуют образованию газообразного водорода. Использование морской воды может сделать процесс более устойчивым, поскольку позволяет избежать использования пресной воды и дополнительной очистки для удаления соли. Однако морская вода содержит ионы хлорида, которые могут препятствовать электролизу. В ходе процесса также могут образовываться коррозионные и токсичные соединения хлора, повреждающие электроды.

Команда NTU во главе с профессором Лидией Вонг из Школы материаловедения и инженерии решила эти проблемы, изменив реакцию на аноде. Положительный электрод содержит катализатор, изготовленный из железа, кобальта и хрома, который раскладывает гидразин на водород и азот. Поскольку эта реакция требует меньше энергии, чем производство кислорода при обычном электролизе воды, система может производить водород с меньшими энергетическими затратами. Анод также удаляет гидразин из воды, одновременно образуя дополнительный водород.

Перовскитный электрод улавливает солнечный свет

Исследователи создали катод из перовскитов на основе галогенидов свинца — полупроводниковых материалов, способных поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электроэнергию. Для защиты катода от износа использовали электропроводящую эпоксидную смолу, содержащую частицы серебра и меди, а также титановую фольгу.

Испытания с использованием синтетической и настоящей морской воды показали, что устройство способно генерировать стабильный электрический ток при освещении. Оно достигло плотности фототока 25 мА см⁻², что является показателем тока, который вырабатывается на освещенной площади электрода. Система продолжала работать более 72 часов при освещении, эквивалентном солнечному свету ясного дня на поверхности Земли. Она вырабатывала водород со скоростью 466 мкмоль см⁻² ч⁻¹, что, по словам исследователей, сопоставимо с другими системами, работающими на солнечной энергии.

Уровень токсичного гидразина снижен до следовых значений

Устройство также продемонстрировало способность очищать сточные воды. Оно непосредственно разлагало гидразин в воде, не требуя предварительного отделения загрязняющего вещества. В течение 30 часов система снизила концентрацию гидразина с 0,5 М, что эквивалентно примерно 1,6 % по массе, до 0,5 части на миллиард. Конечная концентрация была более чем в 20 раз ниже допустимой нормы Агентства по охране окружающей среды США, составляющей 10 ppb.

Джеймс Дуррант, профессор фотохимии и устойчивого развития энергетики, преподаватель кафедры химии Оксфордского университета, не принимавший участия в исследовании, добавил:

В настоящее время команда разрабатывает катализаторы, которые могли бы быть направлены на другие загрязняющие вещества и преобразовывать отходы в полезные продукты, в частности топливо и промышленные химикаты. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Источник: Interesting Engineering