Ученые нашли умный способ генерировать водород прямо из соленой морской воды. Это может стать еще одним шагом на пути к чистой энергии в будущем, если возобновляемые источники энергии приведут в действие этот процесс.
Новое устройство вносит несколько химических модификаций в существующие технологии, позволяя извлекать водород из необработанной, неочищенной морской воды, что может уменьшить опасения по поводу использования запасов драгоценной воды.
«Мы разделили природную морскую воду на кислород и водород… для получения зеленого водорода путем электролиза с использованием недрагоценного и дешевого катализатора в коммерческом электролизере», — объясняет инженер-химик Шичжан Цяо из Университета Аделаиды в Австралии.
Традиционно водородное топливо производилось с использованием природного газа, но его также можно получить с помощью электролиза.
Электролиз — это реакция расщепления воды, в которой электричество используется для выталкивания атомов водорода из локтевых молекул воды, и электролизер — это устройство, в котором это происходит.
Прямо сейчас этот процесс может быть достигнут с использованием электричества из ископаемого топлива или из возобновляемых источников энергии, но обе системы требуют пресной воды. Поиск способа достижения электролиза морской воды может сделать будущее производства экологически чистого водородного топлива гораздо более устойчивым.
Исследователи пытались разработать альтернативу коммерческим электролизерам, которые работают только с очищенной пресной водой, опасаясь нехватки воды.
Доступная пресная вода составляет всего 1 процент от общего количества воды на Земле, но есть практически безграничные запасы морской воды, которую можно было бы использовать.
Хотя опасения по поводу нехватки воды обоснованы, недавние оценки показывают, что количество воды, необходимое для поддержания будущего использования водорода, намного меньше, чем триллионы литров воды, используемые сегодня для добычи и сжигания ископаемого топлива.
Однако ученые все еще помнят о воздействии на окружающую среду. В течение десятилетий они пытались разработать устройства для производства водорода из морской воды, но постоянно сталкивались с рядом препятствий .
При попадании в электролизер нежелательные ионы хлора в морской воде разрушают материалы катализатора, предназначенные для запуска реакции расщепления воды с выделением водорода. Также образуются массивные нерастворимые осадки, блокирующие места реакции и препятствующие крупномасштабному производству.
Новая система, разработанная Цяо и его коллегами, позволяет избежать обеих этих проблем.
Как описано в их новой статье, исследователи нанесли твердую кислоту Льюиса на ряд обычных катализаторов на основе оксида кобальта, чтобы расщепить молекулы воды. В серии испытаний модифицированные катализаторы устойчивы к воздействию хлора и предотвращают образование осадков.
«Это общая стратегия, которую можно применять к различным катализаторам без необходимости в специально разработанных катализаторах и конструкции электролизера», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.
Хотя это звучит многообещающе, многолетние усилия по разработке электролизеров морской воды должны служить напоминанием о проблемах, стоящих перед коммерциализацией этой или любой другой технологии.
«Прямой электролиз морской воды без процесса очистки и химических добавок очень привлекателен и исследуется около 40 лет, но ключевые проблемы этой технологии остаются как в разработке катализаторов, так и в конструкции устройств», — отмечают исследователи.
Недавний прогресс обнадеживает, поскольку это новое устройство является одной из многих многообещающих попыток получения водорода из морской воды.
Например, ученые из Китая и Австралии недавно разработали прототип устройства, предназначенного для плавания на поверхности океана и выделения водорода из морской воды с помощью солнечной энергии. Другой прототип, находящийся в разработке, использует совершенно другой подход, собирая воду из влажного воздуха перед извлечением водорода.
Конечно, прототипы далеки от методов промышленного масштаба, поэтому хорошо иметь здоровое сочетание потенциальных систем в процессе разработки, чтобы увидеть, какие из них работают.
Цяо и его коллеги работают над расширением своей системы, используя электролизер большего размера. Но многие факторы могут создать или разрушить потенциальную технологию.
Коммерциализация любого процесса сводится к стоимости материалов, энергозатрат и эффективности в масштабе, где небольшая выгода может иметь большое значение в том, сколько водорода будет произведено.
Кобальт, материал, используемый в катализаторах на основе оксидов металлов, также не без проблем . Как и любой другой драгоценный металл, используемый в батареях или солнечных панелях, его необходимо добывать устойчивым образом и по возможности перерабатывать .
Проверив долговечность своей установки, Цяо и его коллеги пришли к выводу, что их модифицированные катализаторы способны продвинуться вперед. Их система может обеспечить мощность, аналогичную коммерческому электролизёру, при тех же низких температурах и условиях эксплуатации.
Но с другими исследователями , стремящимися неуклонно повышать эффективность обычных электролизеров, это действительно игра для всех.