Исследователи из Стэнфорда разработали способ получения водородного топлива с использованием солнечной энергии, электродов и соленой воды из залива Сан-Франциско.
Выводы, опубликованные 18 марта в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрируют новый способ выделения газообразного водорода и кислорода из морской воды с помощью электричества. Существующие методы разделения воды основаны на использовании высокоочищенной воды, которая является ценным ресурсом и требует больших затрат в производстве.
Теоретически, для питания городов и автомобилей «нужно столько водорода, что невозможно использовать очищенную воду», - сказал Хунцзе Дай, Дж. Дж. Джексон и К. Дж. Вуд, профессор химии в Стэнфорде и соавтор статьи. «У нас едва хватает воды для наших текущих нужд в Калифорнии».
Водород является привлекательным вариантом топлива, поскольку он не выделяет углекислый газ, сказал Дай. Сжигание водорода производит только воду и должно облегчить ухудшение проблемы изменения климата.
Дай сказал, что его лаборатория продемонстрировала демонстрацию концепции, но исследователи оставят на усмотрение производителей масштабирование и массовое производство дизайна.
Борьба с коррозией
В принципе, 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 включается питание, газообразный водород выходит из отрицательного конца, называемого катодом, а пригодный для дыхания кислород выходит из положительного конца, анода..
Но отрицательно заряженный хлорид в соли морской воды может разъесть положительный конец, ограничивая срок службы системы. Дай и его команда хотели найти способ помешать этим компонентам морской воды разрушить погруженные в воду аноды.
Исследователи обнаружили, что если покрыть анод слоями, богатыми отрицательными зарядами, эти слои отталкивают хлориды и замедляют распад основного металла.
Они нанесли слой гидроксида никеля и железа поверх сульфида никеля, который покрывает сердцевину из вспененного никеля. Пена никеля действует как проводник, передавая электричество от источника питания, а гидроксид никеля и железа запускает электролиз, разделяя воду на кислород и водород. Во время электролиза сульфид никеля превращается в отрицательно заряженный слой, который защищает анод. Подобно тому, как отрицательные концы двух магнитов прижимаются друг к другу, отрицательно заряженный слой отталкивает хлориды и не позволяет им достичь металлического сердечника.
По словам Майкла Кенни, аспиранта лаборатории Дай и соавтора статьи, без отрицательно заряженного покрытия анод работает только около 12 часов в морской воде. «Весь электрод разваливается в крошку», - сказал Кенни.«Но с этим слоем он может работать более тысячи часов».
Предыдущие исследования, пытавшиеся разделить морскую воду на водородное топливо, проводились с низким уровнем электрического тока, потому что при более высоких токах возникает коррозия. Но Дай, Кенни и их коллеги смогли проводить в 10 раз больше электроэнергии с помощью своего многослойного устройства, которое помогает ему быстрее производить водород из морской воды.
"Я думаю, что мы установили рекорд скорости течения, чтобы разделить морскую воду", - сказал Дай.
Большую часть тестов члены команды проводили в контролируемых лабораторных условиях, где они могли регулировать количество электричества, поступающего в систему. Но они также разработали демонстрационную машину на солнечной энергии, которая производила газообразный водород и кислород из морской воды, собранной в заливе Сан-Франциско.
И без риска коррозии от солей устройство соответствует современным технологиям, использующим очищенную воду. «Впечатляющим в этом исследовании было то, что мы смогли работать с электрическими токами, которые используются сегодня в промышленности», - сказал Кенни.
Удивительно просто
Оглядываясь назад, Дай и Кенни видят простоту своего дизайна. «Если бы у нас был хрустальный шар три года назад, он был бы сделан за месяц», - сказал Дай. Но теперь, когда разработан основной рецепт электролиза морской воды, новый метод откроет двери для увеличения доступности водородного топлива, работающего от солнечной или ветровой энергии.
В будущем эту технологию можно будет использовать не только для производства энергии. Поскольку этот процесс также производит пригодный для дыхания кислород, дайверы или подводные лодки могут доставлять устройства в океан и генерировать кислород внизу, не поднимаясь на поверхность за воздухом.
Что касается передачи технологии, «можно просто использовать эти элементы в существующих системах электролизеров, и это может быть довольно быстро», - сказал Дай. «Это не то же самое, что начинать с нуля - это больше похоже на то, чтобы начинать с 80 или 90 процентов».