Исследователи из Наньянского технологического университета создали искусственный лист, работающий на солнечной энергии, который производит водород из морской воды, одновременно расщепляя гидразин — токсичное загрязняющее вещество, содержащееся в промышленных сточных водах.
Группа исследователей из Наньянского технологического университета (NTU) в Сингапуре представила искусственный лист , который производит водород из морской воды, используя только солнечный свет. Устройство также разрушает гидразин, высокотоксичное химическое вещество, содержащееся в некоторых промышленных сточных водах. Таким образом, оно решает задачи производства экологически чистого топлива и очистки окружающей среды от загрязнений за один шаг.
Результаты работы исследователей были опубликованы в журнале Nature Communications . Руководителем группы была профессор Лидия Х. Вонг из Школы материаловедения и инженерии NTU.
Почему морская вода жесткая
Большинство электролизеров расщепляют пресную, очищенную воду. Морская вода гораздо доступнее, но содержащаяся в ней соль создает проблемы. При прохождении через нее электрического тока ионы хлора склонны образовывать соединения хлора, которые являются коррозионными и токсичными.
Эти соединения разъедают электроды и создают собственную проблему с отходами. В результате для производства водорода из морской воды обычно требуется предварительное дорогостоящее опреснение или электроды, устойчивые к коррозии.
Проблема нехватки пресной воды уже сейчас актуальна для планируемых водородных хабов в засушливых прибрежных регионах, включая некоторые части Австралии, Ближнего Востока и Северной Африки. Использование морской воды напрямую снизило бы это давление. Это также подошло бы островным государствам, таким как Сингапур, у которого есть национальная водородная стратегия, но ограниченные запасы пресной воды.
Конструкция NTU позволяет обойти многие из этих проблем. Команда оснастила анод катализатором, который расщепляет гидразин на водород и азот. В то же время реакция подавляет образование хлорсодержащих соединений.
Перовскитный катод
С другой стороны устройства исследователи изготовили катод из перовскитов галогенидов свинца. Эти кристаллические материалы хорошо поглощают свет и преобразуют его в электричество с минимальными затратами. За последнее десятилетие они вызвали огромный интерес в области солнечной энергетики. Производители также могут получать их из раствора при низких температурах, что позволяет снизить затраты.
В данном случае перовскитный фотокатод достиг плотности фототока 25 миллиампер на квадратный сантиметр. Плотность фототока измеряет, какой ток устройство производит на освещенную площадь. Команда утверждает, что это один из самых высоких показателей, зарегистрированных для перовскитных катодов на основе свинца.
Устройство также обеспечивало стабильную выработку энергии более 72 часов при освещенности, эквивалентной полному солнечному свету в ясный день. При этом оно производило водород со скоростью, сопоставимой со скоростью аналогичных устройств, работающих на солнечной энергии.
Очистка воды в процессе работы
Поскольку устройство работает без внешнего напряжения, оно автономно. Проще говоря, обе реакции протекают исключительно под воздействием солнечного света, без потребления электроэнергии из сети или батареи. В ходе испытаний оно разложило гидразин до концентрации ниже одной части на миллиард примерно за 30 часов. Фактически, устройство удалило почти все загрязняющее вещество из тестового раствора.
Гидразин используется в промышленных процессах, включая химическое производство, а также в качестве ракетного топлива. Он токсичен для людей и водных организмов, поэтому сточные воды, содержащие его, требуют тщательной очистки. Устройство, удаляющее его в процессе производства топлива, могло бы превратить затраты на утилизацию в небольшой источник дохода.
Исследователи, стоящие за инновацией. Слева направо: доктор Стенер Ли, доктор Анупам Садху, профессор Лидия Х. Вонг и доктор Хао Чжэ Чун из Школы материаловедения и инженерии НТУ. Фото: НТУ Сингапура.
Препятствия на пути к масштабированию
Результаты получены в лабораторных условиях, и ряд важных вопросов остаются открытыми. У перовскитов есть известный недостаток: они деградируют при воздействии влаги, тепла и длительного воздействия света. Три дня стабильной работы — это хороший результат для этого класса материалов, хотя коммерческие системы должны работать годами.
Использование свинца также вызывает вопросы в отношении любого устройства, предназначенного для нахождения в воде. Инженерам потребуется доказать, что материал сохраняет герметичность в течение длительного времени. Кроме того, масштабирование небольших лабораторных ячеек до больших панелей обычно снижает эффективность.
Тем не менее, эта работа дополняет растущий набор подходов к прямому производству водорода с помощью солнечной энергии, включая слоистые солнечные материалы, ускоряющие расщепление воды . Для прибрежных промышленных зон привлекательным сочетанием является производство водорода из морской воды с одновременной очисткой загрязненной воды. Следующий шаг — доказать, что эта концепция может выдерживать реальные условия вне лаборатории.
