Натхненний листям: вчені створили пристрій, який добуває водень із морської води

Вчені з Наньянського технологічного університету (NTU) у Сінгапурі розробили пристрій на сонячній енергії, який виробляє водень із морської води, одночасно розкладаючи гідразин — високотоксичний промисловий забруднювач. Дослідники описують систему як підхід подвійного призначення, що поєднує виробництво чистого палива з очищенням стічних вод. У роботі використовується сонячне світло для вироблення електроенергії, необхідної для перебігу хімічних реакцій. Натхненний способом, за допомогою якого листя поглинає сонячне світло, пристрій працює без зовнішнього джерела живлення.

Каталізатор змінює реакцію електролізу

Зелений водень зазвичай виробляють за допомогою електролізу, під час якого електрика змушує молекули води розщеплюватися на водень і кисень. Електрони надходять до катода, або негативного електрода, де вони допомагають утворювати газоподібний водень. Використання морської води може зробити процес більш сталим, оскільки дозволяє уникнути використання прісної води та додаткового очищення для видалення солі. Однак морська вода містить іони хлориду, які можуть заважати електролізу. Процес також може утворювати корозійні та токсичні сполуки хлору, які пошкоджують електроди.

Команда NTU на чолі з професоркою Лідією Вонг зі Школи матеріалознавства та інженерії вирішила ці проблеми, змінивши реакцію на аноді. Позитивний електрод містить каталізатор, виготовлений із заліза, кобальту та хрому, який розкладає гідразин на водень і азот. Оскільки ця реакція потребує менше енергії, ніж виробництво кисню під час звичайного електролізу води, система може виробляти водень із меншими енергетичними витратами. Анод також видаляє гідразин із води, одночасно утворюючи додатковий водень.

Перoвскітний електрод збирає сонячне світло

Дослідники створили катод із перовскітів на основі галогенідів свинцю — напівпровідникових матеріалів, здатних поглинати сонячне світло та перетворювати його на електроенергію. Для захисту катода від деградації використовували електропровідну епоксидну смолу, що містить частинки срібла та міді, а також титанову фольгу.

Випробування із синтетичною та реальною морською водою показали, що пристрій може генерувати стабільний електричний струм під час освітлення. Він досяг фотострумової густини 25 мА см⁻², що є показником струму, який виробляється на освітленій площі електрода. Система продовжувала працювати понад 72 години за освітлення, що еквівалентне сонячному світлу ясного дня на поверхні Землі. Вона виробляла водень зі швидкістю 466 мкмоль см⁻² год⁻¹, що, за словами дослідників, можна порівняти з іншими системами на сонячній енергії.

Токсичний гідразин знижено до слідових рівнів

Пристрій також продемонстрував здатність очищати стічні води. Він безпосередньо розкладав гідразин у воді, не вимагаючи попереднього відокремлення забруднювача. Протягом 30 годин система знизила концентрацію гідразину з 0,5 М, що еквівалентно приблизно 1,6% за масою, до 0,5 частини на мільярд. Кінцева концентрація була більш ніж у 20 разів нижчою за допустиму норму Агентства з охорони навколишнього середовища США у 10 ppb.

Джеймс Дуррант, професор фотохімії та сталої енергетики кафедри хімії Оксфордського університету, який не брав участі в дослідженні, додав:

Наразі команда розробляє каталізатори, які могли б бути спрямовані на інші забруднювачі та перетворювати відходи на корисні продукти, зокрема паливо та промислові хімікати. Дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.

Джерело: Interesting Engineering