Суміш водню, кисню, натрію та інших елементів у морській воді робить її життєво важливою для життя на Землі. Але та сама складна хімія ускладнила видобуток водню для використання в чистій енергії. Тепер дослідники Національної прискорювальної лабораторії SLAC Департаменту енергетики та Стенфордського університету разом зі співробітниками Університету Орегону та Манчестерського столичного університету знайшли спосіб отримати водень з океану, направляючи морську воду через систему з подвійною мембраною та електрику. Їхня інноваційна конструкція довела успіх у виробництві газоподібного водню без утворення великої кількості шкідливих побічних продуктів. Результати їхнього дослідження, опубліковані сьогодні в Joule, можуть сприяти розвитку зусиль у виробництві палива з низьким вмістом вуглецю.
Водень — це паливо з низьким вмістом вуглецю, яке зараз використовується багатьма способами, наприклад, для роботи електромобілів на паливних елементах і як довготривалий варіант накопичення енергії — такий, який підходить для зберігання енергії протягом тижнів, місяців або довше — для електричних мереж. .
Багато спроб отримати водень починають із прісної або опрісненої води, але ці методи можуть бути дорогими та енергоємними. З очищеною водою легше працювати, оскільки в ній плаває менше речовин — хімічних елементів або молекул. Однак очищення води дороге, потребує енергії та ускладнює пристрої, кажуть дослідники. Інший варіант, природна прісна вода, також містить ряд домішок, які є проблематичними для сучасних технологій, крім того, що є більш обмеженим ресурсом на планеті, сказали вони.
Для роботи з морською водою команда впровадила біполярну (двошарову) мембранну систему та випробувала її за допомогою електролізу, методу, який використовує електрику для приводу іонів або заряджених елементів для запуску потрібної реакції. Вони розпочали свою розробку з контролю над найшкідливішим елементом для системи морської води — хлоридом, — сказав Джозеф Перріман, дослідник SLAC і Стенфордського аспіранта.
«У морській воді є багато реактивних речовин, які можуть перешкоджати реакції водню, і хлорид натрію, який робить морську воду солоною, є одним із головних винуватців», — сказав Перріман. «Зокрема, хлорид, який потрапляє на анод і окислюється, скорочує термін служби електролізної системи й може фактично стати небезпечним через токсичну природу продуктів окислення, включаючи молекулярний хлор і відбілювач».
Біполярна мембрана в експерименті забезпечує доступ до умов, необхідних для утворення газоподібного водню, і запобігає потраплянню хлориду в реакційний центр.
«Ми, по суті, вдвічі вдосконалюємо способи зупинити цю реакцію хлориду», — сказав Перріман.
Ідеальна мембранна система виконує три основні функції: відокремлює водень і кисень від морської води; допомагає переміщати лише корисні іони водню та гідроксиду, обмежуючи інші іони морської води; і допомагає запобігти небажаним реакціям. Охопити всі ці три функції разом важко, і дослідження команди спрямовані на вивчення систем, які можуть ефективно поєднувати всі три ці потреби.
Зокрема, в їхньому експерименті протони, які були позитивними іонами водню, проходили через один із шарів мембрани до місця, де їх можна було зібрати та перетворити на газоподібний водень шляхом взаємодії з негативно зарядженим електродом (катодом). Друга мембрана в системі пропускала лише негативні іони, такі як хлорид.
Як додатковий захист, один шар мембрани містив негативно заряджені групи, які були закріплені на мембрані, що ускладнювало іншим негативно зарядженим іонам, таким як хлорид, переміщатися туди, де вони не повинні бути, сказала Даніела Марін, випускниця Стенфордського університету. студент факультету хімічної інженерії та співавтор. Негативно заряджена мембрана виявилася високоефективною в блокуванні майже всіх іонів хлориду в експериментах команди, і їхня система працювала без утворення токсичних побічних продуктів, таких як відбілювач і хлор.
За словами дослідників, разом із розробкою мембранної системи «морська вода-водень» дослідження також дало краще загальне розуміння того, як іони морської води рухаються через мембрани. Ці знання можуть допомогти вченим розробити більш міцні мембрани для інших застосувань, наприклад, для виробництва кисню.
«Існує також певний інтерес до використання електролізу для виробництва кисню», — сказав Марін. «Розуміння іонного потоку та перетворення в нашій біполярній мембранній системі також має вирішальне значення для цих зусиль. Разом із виробництвом водню в нашому експерименті ми також показали, як використовувати біполярну мембрану для генерування кисню».
Далі команда планує вдосконалити свої електроди та мембрани, побудувавши їх з матеріалів, які є більш поширеними та легшими для видобутку. Це вдосконалення конструкції може полегшити масштабування системи електролізу до розміру, необхідного для виробництва водню для енергоємних видів діяльності, таких як транспортний сектор, повідомила команда.
Дослідники також сподіваються перенести свої електролізні комірки до Стенфордського джерела синхротронного випромінювання (SSRL) SLAC, де вони зможуть вивчати атомну структуру каталізаторів і мембран за допомогою інтенсивного рентгенівського випромінювання.
