Forskere ved Nanyang Technological University har bygget et soldrevet kunstigt blad, der producerer brint fra havvand, samtidig med at det nedbryder hydrazin, et giftigt forurenende stof, der findes i industrielt spildevand.
Et team fra Nanyang Technological University (NTU) i Singapore har præsenteret et kunstigt blad , der fremstiller brint fra havvand udelukkende ved hjælp af sollys. Apparatet ødelægger også hydrazin, et meget giftigt kemikalie, der findes i noget industrielt spildevand. Således håndterer det produktion af rent brændstof og oprydning af forurening i ét trin.
Forskerne offentliggjorde arbejdet i Nature Communications . Professor Lydia H. Wong fra NTU's School of Materials Science and Engineering ledte holdet.
Hvorfor havvand er hårdt
De fleste elektrolysører spalter frisk, renset vand. Havvand er langt mere rigeligt, men dets salt forårsager problemer. Når en elektrisk strøm løber gennem det, har kloridioner en tendens til at danne klorforbindelser, der er ætsende og giftige.
Disse forbindelser æder elektroderne og skaber deres eget affaldsproblem. Som følge heraf kræver produktion af brint fra havvand normalt først dyr afsaltning eller elektroder, der modstår korrosion.
Ferskvandsforsyning er allerede en bekymring for planlagte brintknudepunkter i tørre kystområder, herunder dele af Australien, Mellemøsten og Nordafrika. Direkte brug af havvand ville lette dette pres. Det ville også være en fordel for østater som Singapore, der har en national brintstrategi, men begrænset ferskvand.
NTU's design omgår meget af dette. Holdet udstyrede anoden med en katalysator, der nedbryder hydrazin til hydrogen og nitrogen. Samtidig undertrykker reaktionen dannelsen af klorforbindelser.
En perovskitkatode
På den anden side af enheden byggede forskerne katoden af blyhalogenidperovskitter. Disse krystallinske materialer absorberer lys godt og omdanner det til elektricitet billigt. De har vakt enorm interesse inden for solforskning i løbet af det sidste årti. Producenter kan også forarbejde dem fra opløsning ved lave temperaturer, hvilket holder omkostningerne nede.
Her nåede perovskitfotokatoden en fotostrømstæthed på 25 milliampere pr. kvadratcentimeter. Fotostrømstætheden måler, hvor meget strøm enheden producerer pr. belyst område. Holdet siger, at tallet er et af de højeste, der er rapporteret for blybaserede perovskitkatoder.
Enheden holdt også stabil output i mere end 72 timer under lys svarende til fuldt sollys på en klar dag. Samtidig producerede den brint med en hastighed, der kunne sammenlignes med lignende soldrevne enheder.
Rengøring af vand, som det virker
Fordi bladet kører uden ekstern spænding, er det selvforsynende. Kort sagt driver sollys alene begge reaktioner, uden at der trækkes elektricitet fra nettet eller et batteri. I tests nedbrød det hydrazin til under én del per milliard inden for cirka 30 timer. I realiteten fjernede enheden næsten alt forurenende stof fra testopløsningen.
Hydrazin bruges i industrielle processer, herunder kemisk fremstilling, og som raketdrivmiddel. Det er giftigt for mennesker og vandlevende organismer, så spildevand, der indeholder det, kræver omhyggelig behandling. En enhed, der fjerner det under fremstilling af brændstof, kan forvandle en bortskaffelsesomkostning til en lille værdikilde.
Forskerne bag innovationen. Fra venstre: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong og Dr. Hao Zhe Chun fra NTU's School of Materials Science and Engineering. Kredit: NTU Singapore
Forhindringer før opskalering
Resultaterne er i laboratorieskala, og flere store spørgsmål er stadig åbne. Perovskitter har en kendt svaghed: de nedbrydes, når de udsættes for fugt, varme og lange perioder med lys. Tre dages stabil drift er et stærkt resultat for denne materialeklasse, selvom kommercielle systemer skal køre i årevis.
Brugen af bly rejser også spørgsmål for enhver enhed, der er designet til at stå i vand. Ingeniører skal vise, at materialet forbliver forseglet over lange perioder. Derudover reducerer skalering af små laboratorieceller til store paneler normalt effektiviteten.
Arbejdet bidrager dog til et voksende sæt af tilgange til direkte solproduktion af brint, herunder lagdelte solmaterialer, der fremskynder vandspaltning . For kystnære industriområder er det en attraktiv kombination at fremstille brint fra havvand, samtidig med at forurenet vand behandles. Det næste skridt er at bevise, at konceptet kan overleve virkelige forhold uden for laboratoriet.
