Революционная новая технология позволяет извлекать водород из морской воды
Новый электрод позволяет производить водород из морской воды в промышленных масштабах, предлагая чистое решение для опреснения воды в засушливых прибрежных регионах.
В исследовании, опубликованном в журнале Small, команда учёных сообщила, что им удалось извлечь водород, не удаляя минеральные соли из морской воды и не добавляя никаких химических веществ.
Исследователи утверждают, что этот метод устраняет необходимость в опреснительных установках, которые дорого стоят при строительстве и эксплуатации и часто обходятся в сотни миллионов долларов.
Специально разработанный электрод устойчив к коррозии в морской воде
«Мы разработали новый многослойный электрод, который может эффективно и экологично извлекать водород непосредственно из морской воды. Традиционные методы сталкиваются с целым рядом проблем, в основном с коррозией и снижением производительности, вызванными ионами хлора в морской воде», — сказал доктор Танвир Уль Хак, доцент кафедры химии в Университете Шарджи и ведущий автор исследования.
Команда разработала электрод по индивидуальному заказу, который, по словам доктора Уль Хака, «решает эти проблемы, создавая защитную и реактивную микросреду, повышающую производительность и предотвращающую повреждения».
По мере того как потребность в чистой энергии становится всё более острой, водород становится многообещающим решением. Но для его производства обычно требуется чистая вода, которой не хватает во многих регионах мира.
Это исследование представляет собой потенциальный прорыв в области производства водорода непосредственно из морской воды, что позволяет избежать необходимости использования пресной воды.
«Короче говоря, мы продемонстрировали, что прямой электролиз морской воды не только возможен, но и масштабируем, обеспечивая эффективность на промышленном уровне и защищая электрод при длительном использовании», — добавил доктор Уль Хак.
Эффективная работа в реальных условиях морской воды
В своём исследовании учёные описывают своё устройство как «многослойный электрод с микросредой для устойчивого электролиза морской воды». В процессе работы устройство обеспечивает «геометрическую плотность тока 1 А/см² в реальной морской воде при перенапряжении 420 мВ, без образования гипохлорита и с выдающейся стабильностью работы в течение 300 часов при комнатной температуре».
В исследовании отмечается, что электрод вырабатывает водород с промышленно значимой скоростью, используя неочищенную морскую воду. Почти вся электроэнергия, подаваемая на электрод, преобразуется в газ, достигая фарадеевской эффективности 98%.
«Усовершенствованная конструкция анода обеспечивает промышленно приемлемую плотность тока 1,0 А/см² при напряжении 1,65 В в стандартных условиях, что является значительным шагом на пути к масштабируемому производству водорода без опреснения непосредственно из морской воды».
Фарадеевская эффективность показывает, насколько эффективно электроны участвуют в данной электрохимической реакции.
«Мы создали усовершенствованный электрод, который работает в реальной морской воде без необходимости предварительной обработки или опреснения», — сказал автор исследования Юсеф Хайк, профессор кафедры машиностроения и ядерной инженерии в Университете Шарджи.
Предназначен для засушливых, солнечных регионов
«Наша система генерирует водород с промышленно значимой скоростью — 1 ампер на квадратный сантиметр — при низком потреблении энергии. Это может кардинально изменить наше представление о производстве водорода в прибрежных регионах, особенно в засушливых странах, таких как ОАЭ, где пресной воды мало, но много солнечного света и морской воды».
Преимущество технологии заключается в усовершенствованной многослойной структуре электрода, которая не только выдерживает суровые условия морской воды, но и процветает в них. Устройство образует «защитную метаборатную плёнку, предотвращающую растворение металла и образование непроводящего оксида» — подход, который устраняет необходимость в энергозатратной очистке воды.
«Это позволяет избежать дорогостоящего опреснения и сложной очистки воды, делая производство экологически чистого водорода более дешёвым и доступным», — сказал соавтор исследования Мурад Смари, научный сотрудник Института науки и инженерии Шарджийского университета.
Защитные пленки продлевают срок службы системы
Одной из наиболее впечатляющих особенностей системы является её долговечность. «Она работает более 300 часов без потери производительности, устойчивая к коррозии, которая обычно разрушает аналогичные системы», — сказал доктор Уль Хак. В исследовании объясняется, что карбонатный слой «действует как электростатический щит», защищая многочисленные слои электрода от растворения.
В ходе испытаний электрод достиг частоты вращения 139,4 с⁻¹ при напряжении 1,6 В, что, по мнению авторов, является одним из самых высоких показателей для подобных систем.
Электрохимические характеристики, описание поверхности и анализ стабильности электрода после 300-часового электролиза щелочной морской воды
«Подводя итог, можно сказать, что многослойная архитектура электрода, разработанная в этом исследовании, представляет собой эффективное решение для прямого электролиза морской воды, — говорится в заключении исследования. — Ультратонкая морфология нанокристаллов с большой площадью поверхности способствует значительному увеличению площади контакта с катализатором и его активности, максимально увеличивая количество участков поверхности, доступных для прямого окисления морской воды».
Доктор Уль Хак подчеркнул потенциальное влияние этой технологии на производство чистой и устойчивой энергии.
Чистая энергия с возможностью масштабирования в прибрежных районах
«Эту технологию можно применять на крупномасштабных водородных электростанциях, использующих морскую воду вместо ценной пресной воды. Представьте себе водородные фермы на солнечных батареях вдоль побережья ОАЭ, использующие морскую воду и солнечный свет для производства экологически чистого топлива — с нулевыми выбросами и минимальным использованием ресурсов».
На просьбу объяснить простыми словами, как работает многослойная конструкция, доктор Уль Хак ответил: «Многослойная конструкция электрода действует как умный фильтр: пропускает воду, блокирует коррозию и увеличивает выработку водорода». Он добавил, что эффективность системы во многом зависит от того, как она справляется с ионами хлора в морской воде.
Карбонатная функционализация отталкивает эти ионы и создает локальную кислую микросреду, которая ускоряет реакцию выделения кислорода (OER), необходимую для производства водорода. В статье отмечается, что этот механизм «усиливает кинетику OER и защищает от воздействия хлоридов и образования осадков».
От успеха в лаборатории к пилотному проекту в реальных условиях
Эта технология уже вызвала интерес у «стартапов в области чистой энергетики и региональных инновационных центров», — отметил доктор Уль Хак. «Наша инновация превращает морскую воду из проблемы в решение… Это чистый водород, получаемый из моря».
Теперь исследователи с нетерпением ждут крупномасштабного внедрения своей технологии. «Сейчас мы переходим от лабораторных испытаний к пилотным, чтобы проверить технологию в реальных условиях на открытом воздухе, — сказал доктор Уль Хак. — Наша следующая цель — разработать модульный генератор водорода, работающий на солнечной энергии и предназначенный для использования в засушливых прибрежных регионах».
