Výzkumníci z Technologické univerzity Nanyang postavili umělý list na solární energii, který produkuje vodík z mořské vody a zároveň rozkládá hydrazin, toxickou látku nacházející se v průmyslových odpadních vodách.
Tým z Nanyang Technologické univerzity (NTU) v Singapuru představil umělý list , který vyrábí vodík z mořské vody pouze za použití slunečního záření. Zařízení také ničí hydrazin, vysoce toxickou chemikálii nacházející se v některých průmyslových odpadních vodách. Tím se v jednom kroku zabývá výrobou čistého paliva a čištěním znečištění.
Výzkumníci publikovali práci v časopise Nature Communications . Tým vedla profesorka Lydia H. Wong z Fakulty materiálových věd a inženýrství NTU.
Proč je mořská voda tvrdá
Většina elektrolyzérů štěpí čerstvou, vyčištěnou vodu. Mořské vody je mnohem více, ale její sůl způsobuje problémy. Když jí prochází elektrický proud, chloridové ionty mají tendenci tvořit sloučeniny chloru, které jsou korozivní a toxické.
Tyto sloučeniny narušují elektrody a vytvářejí vlastní problém s odpadem. V důsledku toho výroba vodíku z mořské vody obvykle vyžaduje nejprve drahé odsolování nebo elektrody odolné korozi.
Dodávky sladké vody jsou již nyní problémem pro plánované vodíkové uzly v suchých pobřežních oblastech, včetně částí Austrálie, Blízkého východu a severní Afriky. Přímé využití mořské vody by tento tlak zmírnilo. Vyhovovalo by to i ostrovním státům, jako je Singapur, který má národní vodíkovou strategii, ale omezené zásoby sladké vody.
Konstrukce NTU se tomuto mnoha problémům vyhýbá. Tým vybavil anodu katalyzátorem, který rozkládá hydrazin na vodík a dusík. Zároveň reakce potlačuje tvorbu sloučenin chloru.
Perovskitová katoda
Na druhé straně zařízení vědci postavili katodu z perovskitů na bázi halogenidu olovnatého. Tyto krystalické materiály dobře absorbují světlo a levně ho přeměňují na elektřinu. V posledním desetiletí vzbudily obrovský zájem ve výzkumu solární energie. Výrobci je také mohou zpracovávat z roztoku při nízkých teplotách, což snižuje náklady.
Zde perovskitová fotokatoda dosáhla hustoty fotoproudu 25 miliampérů na centimetr čtvereční. Hustota fotoproudu měří, kolik proudu zařízení produkuje na osvětlenou plochu. Tým tvrdí, že toto číslo je jedno z nejvyšších zaznamenaných u perovskitových katod na bázi olova.
Zařízení si také udrželo stabilní výkon po dobu více než 72 hodin za světla odpovídajícího plnému slunečnímu záření za jasného dne. Zároveň produkovalo vodík rychlostí srovnatelnou s podobnými zařízeními napájenými solární energií.
Čištění vody v praxi
Protože list běží bez externího napětí, je napájen sám. Jednoduše řečeno, sluneční světlo pohání obě reakce, bez odběru elektřiny ze sítě nebo baterie. V testech degradoval hydrazin na méně než jednu část na miliardu během přibližně 30 hodin. Zařízení v podstatě odstranilo z testovaného roztoku téměř veškerou znečišťující látku.
Hydrazin se používá v průmyslových procesech, včetně chemické výroby, a jako raketové palivo. Je toxický pro lidi a vodní organismy, takže odpadní vody, které ho obsahují, vyžadují pečlivé čištění. Zařízení, které ho odstraňuje při výrobě paliva, by mohlo z nákladů na likvidaci udělat malý zdroj hodnoty.
Výzkumníci za inovací. Zleva: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong a Dr. Hao Zhe Chun z NTU School of Materials Science and Engineering. Kredit: NTU Singapur
Překážky před scale-upem
Výsledky jsou laboratorní a několik velkých otázek zůstává otevřených. Perovskity mají známou slabinu: degradují se, když jsou vystaveny vlhkosti, teplu a dlouhodobému světlu. Tři dny stabilního provozu jsou pro tuto třídu materiálů silným výsledkem, i když komerční systémy musí fungovat roky.
Použití olova také vyvolává otázky ohledně jakéhokoli zařízení určeného pro umístění ve vodě. Inženýři by museli prokázat, že materiál zůstane dlouhodobě utěsněn. Navíc zmenšování malých laboratorních buněk na velké panely obvykle snižuje účinnost.
Tato práce však doplňuje rostoucí soubor přístupů k přímé výrobě vodíku ze solární energie, včetně vrstevnatých solárních materiálů, které urychlují štěpení vody . Pro pobřežní průmyslové lokality je výroba vodíku z mořské vody a zároveň úprava znečištěné vody atraktivní kombinací. Dalším krokem je prokázat, že tento koncept dokáže přežít reálné podmínky mimo laboratoř.
