Ученые создают водородное топливо из морской воды

Стэнфордские исследователи разработали способ получения водородного топлива с использованием солнечной энергии, электродов и соленой воды.

Результаты, опубликованные 18 марта в «Proceedings of the National Academy of Sciences», демонстрируют новый способ отделения водорода и кислорода от морской воды с помощью электричества. Существующие методы расщепления воды основаны на высокоочищенной воде, которая является ценным ресурсом и дорогостоящей в производстве.

Теоретически, для питания городов и автомобилей «нужно так много водорода, что невозможно использовать очищенную воду», сказал Хунцзе Дай, профессор химии в Стэнфорде и соавтор статьи. «У нас едва хватает воды для наших текущих потребностей в Калифорнии».

По словам Дая, водород является привлекательным вариантом для топлива, потому что он не выделяет углекислого газа. Сжигание водорода производит только воду и должно облегчить обострение проблем изменения климата.

Дай сказал, что его лаборатория продемонстрировала концепцию получения топлива, но исследователи предоставят производителям возможность масштабировать и массово производить приложения на основе разработанной технологии.

Как концепция, разделение воды на водород и кислород с помощью электричества, называемое электролизом, является простой и старой идеей: источник питания подключается к двум электродам, помещенным в воду. Когда питание включается, газообразный водород выдувается из отрицательного конца, называемого катодом, а кислород выходит из положительного конца — анода.

Но отрицательно заряженный хлорид в соли морской воды может разъедать положительный конец, ограничивая срок службы системы. Исследователи хотели найти способ предотвратить разрушение анодов этими компонентами морской воды.

Ученые обнаружили, что, если они покрывали анод слоями, которые были богаты отрицательными зарядами, слои отталкивали хлорид и замедляли распад основного металла.

Они наслоили гидроксид никеля-железа поверх сульфида никеля, который покрывает ядро ​​из никелевой пены. Никелевая пена действует как проводник, транспортируя электричество от источника питания, а гидроксид никеля и железа вызывает электролиз, разделяя воду на кислород и водород. Во время электролиза сульфид никеля превращается в отрицательно заряженный слой, который защищает анод. Так же, как отрицательные концы двух магнитов сталкиваются друг с другом, отрицательно заряженный слой отталкивает хлорид и не позволяет ему достигать металлического ядра.

Без отрицательно заряженного покрытия анод работает в морской воде только около 12 часов, и по словам исследователей, «весь электрод разваливается на части, но с этим слоем он способен работать более тысячи часов».

Предыдущие исследования, в которых пытались разделить морскую воду на водородное топливо, использовали небольшое количество электрического тока, поскольку коррозия происходит при более высоких токах. Но в этот раз ученые смогли проводить до 10 раз больше электроэнергии через свое многослойное устройство, которое помогает ему генерировать водород из морской воды с большей скоростью.

В будущем эта технология может быть использована не только для производства энергии. Поскольку этот процесс также производит кислород, дайверы или экипажи подводных лодок могут использовать устройства в океане и генерировать кислород на глубине, без необходимости подниматься на поверхность.

Yun Kuang el al., «Solar-driven, highly sustained splitting of seawater into hydrogen and oxygen fuels,» PNAS (2019). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1900556116