Ερευνητές στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang κατασκεύασαν ένα τεχνητό φύλλο που λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια και παράγει υδρογόνο από θαλασσινό νερό, ενώ παράλληλα διασπά την υδραζίνη, έναν τοξικό ρύπο που βρίσκεται στα βιομηχανικά λύματα.
Μια ομάδα στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang (NTU) στη Σιγκαπούρη παρουσίασε ένα τεχνητό φύλλο που παράγει υδρογόνο από θαλασσινό νερό χρησιμοποιώντας μόνο το ηλιακό φως. Η συσκευή καταστρέφει επίσης την υδραζίνη, μια εξαιρετικά τοξική χημική ουσία που βρίσκεται σε ορισμένα βιομηχανικά λύματα. Έτσι, αντιμετωπίζει την παραγωγή καθαρών καυσίμων και τον καθαρισμό της ρύπανσης σε ένα βήμα.
Οι ερευνητές δημοσίευσαν την εργασία τους στο Nature Communications . Η καθηγήτρια Lydia H. Wong της Σχολής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του NTU ηγήθηκε της ομάδας.
Γιατί το θαλασσινό νερό είναι σκληρό
Οι περισσότεροι ηλεκτρολύτες διασπούν φρέσκο, καθαρό νερό. Το θαλασσινό νερό είναι πολύ πιο άφθονο, αλλά το αλάτι του προκαλεί προβλήματα. Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα το διαπερνά, τα ιόντα χλωρίου τείνουν να σχηματίζουν ενώσεις χλωρίου που είναι διαβρωτικές και τοξικές.
Αυτές οι ενώσεις διαβρώνουν τα ηλεκτρόδια και δημιουργούν ένα δικό τους πρόβλημα αποβλήτων. Ως αποτέλεσμα, η παραγωγή υδρογόνου από θαλασσινό νερό συνήθως απαιτεί πρώτα δαπανηρή αφαλάτωση ή ηλεκτρόδια που αντιστέκονται στη διάβρωση.
Η παροχή γλυκού νερού αποτελεί ήδη ανησυχία για τους προγραμματισμένους κόμβους υδρογόνου σε ξηρές παράκτιες περιοχές, συμπεριλαμβανομένων τμημάτων της Αυστραλίας, της Μέσης Ανατολής και της Βόρειας Αφρικής. Η άμεση χρήση θαλασσινού νερού θα μείωνε αυτή την πίεση. Θα ήταν επίσης βολική για νησιωτικά κράτη όπως η Σιγκαπούρη, η οποία έχει εθνική στρατηγική για το υδρογόνο αλλά περιορισμένο γλυκό νερό.
Ο σχεδιασμός της NTU παρακάμπτει πολλά από αυτά. Η ομάδα εξόπλισε την άνοδο με έναν καταλύτη που διασπά την υδραζίνη σε υδρογόνο και άζωτο. Ταυτόχρονα, η αντίδραση καταστέλλει τον σχηματισμό ενώσεων χλωρίου.
Μια κάθοδος περοβσκίτη
Στην άλλη πλευρά της συσκευής, οι ερευνητές κατασκεύασαν την κάθοδο από περοβσκίτες αλογονιδίων μολύβδου. Αυτά τα κρυσταλλικά υλικά απορροφούν καλά το φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια με χαμηλό κόστος. Έχουν προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον στην ηλιακή έρευνα την τελευταία δεκαετία. Οι κατασκευαστές μπορούν επίσης να τα επεξεργαστούν από διάλυμα σε χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που διατηρεί το κόστος χαμηλό.
Εδώ, η φωτοκάθοδος περοβσκίτη έφτασε σε πυκνότητα φωτορεύματος 25 μιλιαμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό. Η πυκνότητα φωτορεύματος μετρά πόσο ρεύμα παράγει η συσκευή ανά φωτιζόμενη περιοχή. Η ομάδα λέει ότι η τιμή είναι μία από τις υψηλότερες που έχουν αναφερθεί για καθόδους περοβσκίτη με βάση τον μόλυβδο.
Η συσκευή διατήρησε επίσης σταθερή απόδοση για περισσότερες από 72 ώρες υπό φως ίσο με το πλήρες ηλιακό φως σε μια καθαρή ημέρα. Εν τω μεταξύ, παρήγαγε υδρογόνο με ρυθμό συγκρίσιμο με παρόμοιες συσκευές που λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια.
Καθαρισμός νερού καθώς λειτουργεί
Επειδή το φύλλο λειτουργεί χωρίς εξωτερική τάση, είναι αυτοτροφοδοτούμενο. Με απλά λόγια, το ηλιακό φως μόνο του προκαλεί και τις δύο αντιδράσεις, χωρίς να καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο ή από μπαταρία. Σε δοκιμές, η υδραζίνη υποβαθμίστηκε σε κάτω από ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο μέσα σε περίπου 30 ώρες. Στην πραγματικότητα, η συσκευή αφαίρεσε σχεδόν όλο τον ρύπο από το διάλυμα δοκιμής.
Η υδραζίνη χρησιμοποιείται σε βιομηχανικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της χημικής βιομηχανίας, και ως προωθητικό πυραύλων. Είναι τοξική για τους ανθρώπους και την υδρόβια ζωή, επομένως τα λύματα που την περιέχουν χρειάζονται προσεκτική επεξεργασία. Μια συσκευή που την αφαιρεί ενώ παράγει καύσιμο θα μπορούσε να μετατρέψει το κόστος απόρριψης σε μια μικρή πηγή αξίας.
Οι ερευνητές πίσω από την καινοτομία. Από αριστερά: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Καθηγήτρια Lydia H. Wong και Dr. Hao Zhe Chun της Σχολής Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του NTU. Πίστωση: NTU Σιγκαπούρης
Εμπόδια πριν από την κλιμάκωση
Τα αποτελέσματα είναι εργαστηριακής κλίμακας και πολλά μεγάλα ερωτήματα παραμένουν ανοιχτά. Οι περοβσκίτες έχουν μια γνωστή αδυναμία: αποικοδομούνται όταν εκτίθενται σε υγρασία, θερμότητα και μεγάλες περιόδους φωτός. Τρεις ημέρες σταθερής λειτουργίας είναι ένα ισχυρό αποτέλεσμα για αυτήν την κατηγορία υλικών, αν και τα εμπορικά συστήματα πρέπει να λειτουργούν για χρόνια.
Η χρήση μολύβδου εγείρει επίσης ερωτήματα για οποιαδήποτε συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να κάθεται στο νερό. Οι μηχανικοί θα πρέπει να αποδείξουν ότι το υλικό παραμένει σφραγισμένο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Επιπλέον, η κλιμάκωση των μικρών εργαστηριακών κυψελών σε μεγάλα πάνελ συνήθως μειώνει την απόδοση.
Ωστόσο, η εργασία αυτή προσθέτει σε ένα αυξανόμενο σύνολο προσεγγίσεων για την άμεση παραγωγή ηλιακού υδρογόνου, συμπεριλαμβανομένων στρωματοποιημένων ηλιακών υλικών που επιταχύνουν τη διάσπαση του νερού . Για τις παράκτιες βιομηχανικές εγκαταστάσεις, η παραγωγή υδρογόνου από θαλασσινό νερό με παράλληλη επεξεργασία μολυσμένου νερού είναι ένας ελκυστικός συνδυασμός. Το επόμενο βήμα είναι να αποδειχθεί ότι η ιδέα μπορεί να επιβιώσει σε πραγματικές συνθήκες εκτός εργαστηρίου.
