Forskere ved Nanyang Technological University har bygget et soldrevet kunstig blad som produserer hydrogen fra sjøvann samtidig som det bryter ned hydrazin, et giftig forurensende stoff som finnes i industrielt avløpsvann.
Et team ved Nanyang Technological University (NTU) i Singapore har presentert et kunstig blad som lager hydrogen fra sjøvann kun ved hjelp av sollys. Enheten ødelegger også hydrazin, et svært giftig kjemikalie som finnes i noe industrielt avløpsvann. Dermed håndterer den produksjon av rent drivstoff og opprydding av forurensning i ett trinn.
Forskerne publiserte arbeidet i Nature Communications . Professor Lydia H. Wong ved NTUs School of Materials Science and Engineering ledet teamet.
Hvorfor sjøvann er hardt
De fleste elektrolysører splitter ferskt, renset vann. Sjøvann er mye mer rikelig, men saltet i det forårsaker problemer. Når en elektrisk strøm går gjennom det, har kloridioner en tendens til å danne klorforbindelser som er etsende og giftige.
Disse forbindelsene spiser opp elektrodene og skaper et eget avfallsproblem. Som et resultat krever produksjon av hydrogen fra sjøvann vanligvis dyr avsalting først, eller elektroder som motstår korrosjon.
Ferskvannsforsyning er allerede en bekymring for planlagte hydrogenknutepunkter i tørre kystregioner, inkludert deler av Australia, Midtøsten og Nord-Afrika. Direkte bruk av sjøvann ville lette på dette presset. Det ville også være egnet for øystater som Singapore, som har en nasjonal hydrogenstrategi, men begrenset med ferskvann.
NTUs design omgår mye av dette. Teamet utstyrte anoden med en katalysator som bryter ned hydrazin til hydrogen og nitrogen. Samtidig undertrykker reaksjonen dannelsen av klorforbindelser.
En perovskittkatode
På den andre siden av enheten bygde forskerne katoden av blyhalogenidperovskitter. Disse krystallinske materialene absorberer lys godt og omdanner det til elektrisitet billig. De har vakt enorm interesse for solforskning det siste tiåret. Produsenter kan også bearbeide dem fra løsning ved lave temperaturer, noe som holder kostnadene nede.
Her nådde perovskitt-fotokatoden en fotostrømtetthet på 25 milliampere per kvadratcentimeter. Fotostrømtettheten måler hvor mye strøm enheten produserer per opplyst område. Teamet sier at tallet er et av de høyeste som er rapportert for blybaserte perovskittkatoder.
Enheten holdt også stabil effekt i mer enn 72 timer under lys tilsvarende fullt sollys på en klar dag. Samtidig produserte den hydrogen med en hastighet som kan sammenlignes med lignende soldrevne enheter.
Rengjøring av vann slik det fungerer
Fordi bladet går uten ekstern spenning, er det selvdrevet. Enkelt sagt driver sollyset alene begge reaksjonene, uten at det trekkes strøm fra strømnettet eller et batteri. I tester degraderte det hydrazin til under én del per milliard i løpet av omtrent 30 timer. I praksis fjernet enheten nesten all forurensningen fra testløsningen.
Hydrazin brukes i industrielle prosesser, inkludert kjemisk produksjon, og som rakettdrivmiddel. Det er giftig for mennesker og vannlevende organismer, så avløpsvann som inneholder det trenger nøye behandling. En enhet som fjerner det mens den lager drivstoff, kan gjøre en avhendingskostnad til en liten verdikilde.
Forskerne bak innovasjonen. Fra venstre: Dr. Stener Lie, Dr. Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong og Dr. Hao Zhe Chun ved NTUs School of Materials Science and Engineering. Kreditt: NTU Singapore
Hindringer før oppskalering
Resultatene er i laboratorieskala, og flere store spørsmål gjenstår. Perovskitter har en kjent svakhet: de brytes ned når de utsettes for fuktighet, varme og lange perioder med lys. Tre dager med stabil drift er et sterkt resultat for denne materialklassen, selv om kommersielle systemer må kjøre i årevis.
Bruken av bly reiser også spørsmål for enhver enhet som er designet for å stå i vann. Ingeniører må vise at materialet holder seg forseglet over lange perioder. I tillegg reduserer det vanligvis effektiviteten å skalere små laboratorieceller til store paneler.
Likevel bidrar arbeidet til et voksende sett med tilnærminger til direkte solcelleproduksjon av hydrogen, inkludert lagdelte solmaterialer som fremskynder vannspalting . For kystnære industriområder er det en attraktiv kombinasjon å lage hydrogen fra sjøvann samtidig som man behandler forurenset vann. Neste trinn er å bevise at konseptet kan overleve reelle forhold utenfor laboratoriet.
