Forskare vid Nanyang Technological University har byggt ett soldrivet konstgjort löv som producerar väte från havsvatten samtidigt som det bryter ner hydrazin, ett giftigt föroreningsämne som finns i industriellt avloppsvatten.
Ett team vid Nanyang Technological University (NTU) i Singapore har presenterat ett konstgjort löv som framställer väte från havsvatten med hjälp av enbart solljus. Apparaten förstör också hydrazin, en mycket giftig kemikalie som finns i en del industriellt avloppsvatten. Således tar den itu med produktion av rent bränsle och sanering av föroreningar i ett steg.
Forskarna publicerade arbetet i Nature Communications . Professor Lydia H. Wong vid NTU:s School of Materials Science and Engineering ledde teamet.
Varför havsvatten är hårt
De flesta elektrolysörer spjälkar färskt, renat vatten. Havsvatten är mycket mer rikligt, men dess salt orsakar problem. När en elektrisk ström går genom det tenderar kloridjoner att bilda klorföreningar som är frätande och giftiga.
Dessa föreningar äter upp elektroderna och skapar ett eget avfallsproblem. Som ett resultat kräver produktion av väte från havsvatten vanligtvis dyr avsaltning först, eller elektroder som motstår korrosion.
Sötvattenförsörjning är redan ett problem för planerade vätgasnav i torra kustregioner, inklusive delar av Australien, Mellanöstern och Nordafrika. Att använda havsvatten direkt skulle minska det trycket. Det skulle också passa östater som Singapore, som har en nationell vätgasstrategi men begränsat med sötvatten.
NTU:s design kringgår mycket av detta. Teamet utrustade anoden med en katalysator som bryter ner hydrazin till väte och kväve. Samtidigt undertrycker reaktionen bildandet av klorföreningar.
En perovskitkatod
På andra sidan av enheten byggde forskarna katoden av blyhalogenidperovskiter. Dessa kristallina material absorberar ljus väl och omvandlar det till elektricitet billigt. De har väckt stort intresse inom solforskning under det senaste decenniet. Tillverkare kan också bearbeta dem från lösning vid låga temperaturer, vilket håller nere kostnaderna.
Här nådde perovskitfotokatoden en fotoströmstäthet på 25 milliampere per kvadratcentimeter. Fotoströmstätheten mäter hur mycket ström enheten producerar per belyst område. Teamet säger att siffran är en av de högsta som rapporterats för blybaserade perovskitkatoder.
Enheten höll också stabil effekt i mer än 72 timmar i ljus motsvarande fullt solljus på en klar dag. Samtidigt producerade den vätgas i en hastighet jämförbar med liknande soldrivna enheter.
Rengöring av vatten så som det fungerar
Eftersom bladet drivs utan extern spänning är det självförsörjande. Enkelt uttryckt driver solljuset ensamt båda reaktionerna, utan att elektricitet tas från elnätet eller ett batteri. I tester bröts hydrazin ner till under en miljarddel inom cirka 30 timmar. I själva verket avlägsnade anordningen nästan all förorening från testlösningen.
Hydrazin används i industriella processer, inklusive kemisk tillverkning, och som raketdrivmedel. Det är giftigt för människor och vattenlevande organismer, så avloppsvatten som innehåller det behöver noggrann behandling. En anordning som avlägsnar det vid tillverkning av bränsle kan förvandla en avfallshanteringskostnad till en liten värdekälla.
Forskarna bakom innovationen. Från vänster: Dr Stener Lie, Dr Anupam Sadhu, Prof Lydia H. Wong och Dr Hao Zhe Chun från NTU:s School of Materials Science and Engineering. Kredit: NTU Singapore
Hinder före uppskalning
Resultaten är i laboratorieskala, och flera stora frågor kvarstår. Perovskiter har en känd svaghet: de bryts ner när de utsätts för fukt, värme och långa perioder av ljus. Tre dagars stabil drift är ett starkt resultat för denna materialklass, även om kommersiella system behöver köras i åratal.
Användningen av bly väcker också frågor om alla apparater som är utformade för att stå i vatten. Ingenjörer skulle behöva visa att materialet förblir tätt under långa perioder. Dessutom minskar effektiviteten vanligtvis om man skalar upp små laboratorieceller till stora paneler.
Ändå bidrar arbetet till en växande uppsättning metoder för direkt solväteproduktion, inklusive skiktade solmaterial som påskyndar vattensönderdelning . För kustnära industriområden är det en attraktiv kombination att framställa väte från havsvatten samtidigt som man behandlar förorenat vatten. Nästa steg är att bevisa att konceptet kan överleva verkliga förhållanden utanför laboratoriet.
