Nanyangin teknillisen yliopiston tutkijat ovat rakentaneet aurinkoenergialla toimivan keinotekoisen lehden, joka tuottaa vetyä merivedestä samalla hajottaen hydratsiinia, teollisuusjätevesissä esiintyvää myrkyllistä epäpuhtautta.
Singaporen Nanyangin teknillisen yliopiston (NTU) tiimi on esitellyt keinotekoisen lehden , joka valmistaa vetyä merivedestä käyttämällä vain auringonvaloa. Laite tuhoaa myös hydratsiinia, erittäin myrkyllistä kemikaalia, jota esiintyy joissakin teollisuusjätevesissä. Se siis hoitaa puhtaan polttoaineen tuotannon ja saasteiden puhdistamisen yhdellä kertaa.
Tutkijat julkaisivat työnsä Nature Communications -lehdessä . Tutkimusryhmää johti professori Lydia H. Wong NTU:n materiaalitieteen ja -tekniikan laitokselta.
Miksi merivesi on kovaa
Useimmat elektrolyysilaitteet hajottavat tuoretta, puhdistettua vettä. Merivettä on paljon enemmän, mutta sen suolaisuus aiheuttaa ongelmia. Kun sähkövirta kulkee sen läpi, kloridi-ionit muodostavat usein syövyttäviä ja myrkyllisiä klooriyhdisteitä.
Nuo yhdisteet syövyttävät elektrodeja ja luovat oman jäteongelmansa. Tämän seurauksena vedyn tuottaminen merivedestä vaatii yleensä ensin kalliin suolanpoiston tai korroosiota kestävät elektrodit.
Makean veden saanti on jo huolenaihe suunnitelluille vetykeskuksille kuiville rannikkoalueille, mukaan lukien osissa Australiaa, Lähi-itää ja Pohjois-Afrikkaa. Meriveden suora käyttö helpottaisi tätä painetta. Se sopisi myös saarivaltioille, kuten Singaporelle, jolla on kansallinen vetystrategia, mutta rajalliset makean veden varat.
NTU:n suunnittelussa tämä on vältetty suurelta osin. Tiimi asensi anodin katalyytillä, joka hajottaa hydratsiinin vedyksi ja typeksi. Samalla reaktio estää klooriyhdisteiden muodostumista.
Perovskiittikatodi
Laitteen toisella puolella tutkijat rakensivat katodin lyijyhalogenidiperovskiiteista. Nämä kiteiset materiaalit absorboivat valoa hyvin ja muuttavat sen edullisesti sähköksi. Ne ovat herättäneet valtavaa kiinnostusta aurinkotutkimuksessa viimeisen vuosikymmenen aikana. Valmistajat voivat myös käsitellä niitä liuoksesta matalissa lämpötiloissa, mikä pitää kustannukset alhaisina.
Tässä perovskiittivalokatodi saavutti 25 milliampeerin valovirran tiheyden neliösenttimetriä kohden. Valovirran tiheys mittaa, kuinka paljon virtaa laite tuottaa valaistua aluetta kohden. Tutkimusryhmän mukaan luku on yksi korkeimmista raportoiduista lyijypohjaisten perovskiittikatodien osalta.
Laite piti myös tehonsa vakaana yli 72 tuntia kirkkaana päivänä täydessä auringonvalossa. Samaan aikaan se tuotti vetyä verrattavissa olevalla nopeudella vastaaviin aurinkoenergialla toimiviin laitteisiin.
Veden puhdistaminen sen toimiessa
Koska lehti toimii ilman ulkoista jännitettä, se on omavoimainen. Yksinkertaisesti sanottuna auringonvalo yksinään käynnistää molemmat reaktiot, eikä sähköä tarvitse ottaa verkosta tai akusta. Testeissä se hajotti hydratsiinin alle miljardisosaan noin 30 tunnissa. Käytännössä laite poisti lähes kaikki epäpuhtaudet testiliuoksesta.
Hydratsiinia käytetään teollisissa prosesseissa, kuten kemianteollisuudessa, ja rakettien polttoaineena. Se on myrkyllistä ihmisille ja vesieliöille, joten sitä sisältävä jätevesi vaatii huolellista käsittelyä. Laite, joka poistaa sen polttoaineen valmistuksen aikana, voisi muuttaa hävityskustannukset pieneksi arvonlähteeksi.
Tutkijat innovaation takana. Vasemmalta: tohtori Stener Lie, tohtori Anupam Sadhu, prof Lydia H. Wong ja tohtori Hao Zhe Chun NTU:n materiaalitieteen ja tekniikan korkeakoulusta. Luotto: NTU Singapore
Esteet ennen skaalautumista
Tulokset ovat laboratoriomittakaavan mukaisia, ja useita suuria kysymyksiä on edelleen avoimia. Perovskiiteilla on tunnettu heikkous: ne hajoavat altistettuna kosteudelle, lämmölle ja pitkille valojaksoille. Kolmen päivän vakaa toiminta on vahva tulos tälle materiaaliluokalle, vaikka kaupallisten järjestelmien on toimittava vuosia.
Lyijyn käyttö herättää myös kysymyksiä kaikista veteen asennettaviksi suunnitelluista laitteista. Insinöörien olisi osoitettava, että materiaali pysyy tiiviinä pitkiä aikoja. Lisäksi pienten laboratoriosolujen skaalaaminen suuriksi paneeleiksi yleensä heikentää tehokkuutta.
Työ kuitenkin täydentää kasvavaa joukkoa lähestymistapoja vedyn suoraan tuottamiseen aurinkoenergialla, mukaan lukien kerrostetut aurinkomateriaalit, jotka nopeuttavat veden hajoamista . Rannikkoalueiden teollisuusalueille vedyn tuottaminen merivedestä samalla kun käsitellään saastunutta vettä, on houkutteleva yhdistelmä. Seuraava askel on todistaa, että konsepti kestää todellisia olosuhteita laboratorion ulkopuolella.
