создана новая технология получения водорода из воды
20 июля 2021 14:06 Ольга Мурая
Водородный транспорт, наравне с электрическим, постепенно входит в нашу повседневную жизнь.
Global Look Press
Внешний вид устройства.
Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.
Сегодня развитие водородного транспорта ограничено дороговизной производства чистого водорода.
Инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света.
Эта технология приближает наступление эры водородного топлива, которая в перспективе приведёт к полному отказу от углеводородов (нефти и газа) в качестве основных источников энергии.
Начнём с того, что водород (H) – самый распространённый химический элемент во Вселенной.
При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H2). Однако большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H
В присутствии воздуха H2 становится в высшей степени взрывоопасен — при реакции водорода с кислородом высвобождается большое количество энергии.
Поэтому исследователи уже давно рассматривают водород как один из перспективных источников энергии, а создание и использование водородного топлива считается будущим энергетической промышленности.
У водородного топлива есть множество плюсов — оно позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, к тому же КПД водородного двигателя заметно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.
При этом минусов у водородного транспорта на сегодняшний день насчитывается тоже немало. Очевидно, что горючесть водорода представляет высокую опасность: как самовоспламенения сжатого газа внутри двигателя, так и возможной утечки газа в салон автомобиля, где малейшая искра может вызвать взрыв.
Кроме этого, сегодня производство водородного топлива зависит от ископаемых углеводородов, и к тому же стоит непомерно дорого.
Поэтому инженеры всего мира стремятся разработать новые экологические чистые методы производства водородного топлива, самым популярным из которых является выделение водорода из воды с помощью солнечного света.
Эта задача сопряжена с несколькими техническими трудностями.
«Вам потребуются материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, но при этом не разлагаются, когда происходит реакция расщепления воды. Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, обычно нестабильны в условиях, которые требуются для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы плохо поглощают свет», – объясняет соавтор работы профессор Эдвард Юй (Edward Yu) из Техасского университета в Остине.
Всё выглядит так, будто эти противоречивые требования заставляют учёных искать некий компромисс, однако разрешить этот «конфликт» можно и другим способом. Использование комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) – поможет в создании эффективной технологии расщепления воды.
Именно этим способом и воспользовались авторы новой разработки.
Главный прорыв, который удалось совершить исследователям, заключается в создании электропроводящих путей сквозь толстый слой диоксида кремния. Для этого инженеры покрывают диоксид кремния тонким слоем алюминия и нагревают получившуюся структуру. Так получаются наноразмерные «шипы» алюминия по всей поверхности диоксида кремния. После этой процедуры их легко можно заменить никелем или другими материалами, ускоряющими расщепление воды.
Этот метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства. Это ли не мечта любого сторонника водородной энергетики?
Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации.
Внешний вид устройства.
Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.
Методы, которые использовались для создания этого устройства, уже широко применяются в производстве полупроводниковой электроники.
Опять же, это значит, что их легко будет внедрить в массовое производство устройств, генерирующих водород.
Команда инженеров, создавших этот прибор, уже подала заявку на патент нового устройства. Далее исследователи планируют работать над увеличением скорости реакции расщепления воды. В то же время перед ними продолжает стоять основная задача — эффективное получение водорода с помощью этого устройства.
«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне этой реакции, это было самой сложной задачей. Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.
Работа американских учёных была опубликована в июне 2021 года в издании Nature Communications.
Напомним, ранее мы писали о техническом прорыве, который поможет в создании полностью прозрачных солнечных элементов. Сообщали мы и о новом катализаторе, который сделает производство водородного топлива более доступным.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
технологии наука энергетика водород водородное топливо альтернативная энергетика общество новости
Ранее по теме
«Росатом» создаст первое в РФ производства лопастей для ветровых электростанций
Фермент, превращающий воздух в электричество, найден у бактерий
Гаджеты можно будет заряжать от шума и голосов
Свинец в солнечных батареях оказался не очень опасным
Прототип ядерной батарейки создан в МИФИ
«Росатом» начнет выпуск ветрогенераторов с увеличенным сроком службы
Химики получили водород на катоде и аноде одновременно
Ученые из США и Китая разработали систему электролиза, в которой на аноде и катоде выделялся водород. При этом протекало две реакции: окисление природного альдегида и восстановление воды. Такая система позволила получать водород при низком напряжении в цепи и небольшом потреблении энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Catalysis.
95 процентов всего производимого водорода получают риформингом ископаемого топлива — дешевым, но вредным для окружающей среды процессом. В качестве альтернативы ученые долгое время предлагают электролиз воды, однако из-за высокого напряжения, требуемого для протекания реакции окисления, получать водород электролизом оказывается слишком дорого.
Еще одна проблема, из-за которой электролиз воды трудно применять в промышленности, заключается в следующем: в результате реакции на аноде выделяется водород, а на катоде — кислород, которые вместе дают очень взрывоопасную смесь. Из-за этого приходится разделять анодное и катодное пространства, а также тщательно контролировать состав получаемого газа. Кроме того, образующиеся в процессе радикальные частицы могут разрушать мембраны электролизера.
Химики под руководством Дуаня Сянфэня (Duan Xiangfeng) из Калифорнийского университета решили разработать метод электролитического получения водорода из дешевого органического исходного и воды. При этом их целью было провести электролиз при низком напряжении и без выделения побочных газообразных продуктов.
Химикам было известно, что альдегиды можно электрохимически окислять до карбоновых кислот в присутствии металлических катализаторов, при этом на поверхности металла адсорбируются атомы водорода, которые затем окисляются с образованием воды. Исходя из этого, авторы статьи предположили, что можно провести процесс, при котором адсорбированные атомы водорода будут объединяться с образованием молекулярного водорода, а не окисляться.
Для исследования реакции окисления химики выбрали альдегид гидроксиметилфурфураль — он встречается в природе и легко получается из сахаров. А в качестве катализатора ученые решили использовать металлическую медь с большой площадью поверхности, которую они предварительно получали электрохимическим восстановлением оксида меди Cu2O. Ученым удалось установить, что при проведении реакции анодного окисления ток в цепи возникает уже при напряжении в 0,05 Вольт, а затем повышается, достигая максимума около 0,4 Вольт. Масс-спектрометрический анализ показал, что продукты реакции — газообразный водород и соответствующая карбоновая кислота.
Чтобы получить еще больше водорода, химики попробовали объединить процесс окисления альдегида на аноде и реакцию выделения водорода из воды на катоде. В качестве анода они использовали металлическую медь, а в качестве катода выбрали платину на угле. Реакция началась уже при напряжении менее 0,1 Вольта, а плотность тока достигла 100 миллиампер на квадратный сантиметр при напряжении 0,27 Вольта.
В результате химикам удалось разработать эффективный процесс получения водорода. Рассчитанный выход по току составил 100 процентов и для анодного, и для катодного процесса (то есть на каждый прошедший через цепь электрон выделялась одна молекула водорода). При одинаковой плотности тока новый процесс позволил получать в два раза больше водорода, чем классический электролиз воды, а потребление энергии оказалось меньше примерно в 14 раз.
Чтобы реакция выделения водорода из воды протекала быстрее, химики используют дорогие платиновые катализаторы. Но недавно им удалось применить для этой цели более дешевые золото-родиевые наночастицы. О необычной роли золота в этом процессе мы рассказывали несколько месяцев назад.
Михаил Бойм
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Получить чистый водород сложно, но исследователи только что преодолели серьезное препятствие — ScienceDaily
Десятилетиями исследователи по всему миру искали способы использования солнечной энергии для создания ключевой реакции производства водорода в качестве чистого источника энергии — расщепления молекул воды с образованием водорода и кислорода. Однако такие усилия по большей части не увенчались успехом, потому что делать это хорошо было слишком дорого, а попытки сделать это с низкими затратами приводили к низкой производительности.
Теперь исследователи из Техасского университета в Остине нашли недорогой способ решить одну половину уравнения, используя солнечный свет для эффективного отделения молекул кислорода от воды. Вывод, опубликованный недавно в Nature Communications представляет собой шаг вперед к более широкому внедрению водорода в качестве ключевой части нашей энергетической инфраструктуры.
Еще в 1970-х годах исследователи изучали возможность использования солнечной энергии для производства водорода. Но невозможность найти материалы с комбинацией свойств, необходимых для устройства, которое может эффективно проводить ключевые химические реакции, помешала этому методу стать основным.
«Вам нужны материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет и в то же время не разлагаются во время реакции расщепления воды», — сказал Эдвард Ю, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Школы Кокрелла. «Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, как правило, нестабильны в условиях, необходимых для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы, как правило, плохо поглощают солнечный свет. Эти противоречивые требования приводят вас к, казалось бы, неизбежному компромиссу. , но путем объединения нескольких материалов — одного, который эффективно поглощает солнечный свет, такого как кремний, и другого, который обеспечивает хорошую стабильность, такого как диоксид кремния — в одном устройстве, этот конфликт может быть разрешен».
Однако возникает еще одна проблема: электроны и дырки, образующиеся при поглощении солнечного света кремнием, должны иметь возможность легко перемещаться по слою диоксида кремния. Для этого обычно требуется слой диоксида кремния толщиной не более нескольких нанометров, что снижает его эффективность в защите поглотителя кремния от деградации.
Ключом к этому прорыву стал метод создания электропроводящих дорожек через толстый слой диоксида кремния, который можно выполнить с низкими затратами и масштабировать до больших объемов производства. Чтобы добиться этого, Ю и его команда использовали технику, впервые примененную при производстве полупроводниковых электронных микросхем. Покрывая слой диоксида кремния тонкой пленкой алюминия и затем нагревая всю структуру, формируются массивы наноразмерных «шипов» алюминия, которые полностью перекрывают слой диоксида кремния. Затем их можно легко заменить никелем или другими материалами, которые помогают катализировать реакции расщепления воды.
При освещении солнечным светом устройства могут эффективно окислять воду с образованием молекул кислорода, а также генерировать водород на отдельном электроде и демонстрировать исключительную стабильность при длительной работе. Поскольку методы, используемые для создания этих устройств, обычно используются в производстве полупроводниковой электроники, их должно быть легко масштабировать для массового производства.
Команда подала предварительную заявку на патент для коммерциализации технологии.
Улучшение способов производства водорода является ключом к его превращению в жизнеспособный источник топлива. Большая часть производства водорода сегодня происходит за счет нагревания пара и метана, но это в значительной степени зависит от ископаемого топлива и приводит к выбросам углерода.
Существует стремление к «зеленому водороду», который использует более экологически безопасные методы для производства водорода. И упрощение реакции расщепления воды является ключевой частью этих усилий.
Водород может стать важным возобновляемым ресурсом с некоторыми уникальными свойствами. Он уже играет важную роль в важных промышленных процессах и начинает проявляться в автомобильной промышленности. Батареи на топливных элементах выглядят многообещающе для дальнемагистральных грузоперевозок, а водородная технология может стать благом для хранения энергии, поскольку она способна хранить избыточную ветровую и солнечную энергию, произведенную, когда для них созреют условия.
В дальнейшем команда будет работать над повышением эффективности кислородного разделения воды за счет увеличения скорости реакции. Следующая серьезная задача исследователей состоит в том, чтобы перейти к другой половине уравнения.
«Сначала мы смогли заняться кислородной стороной реакции, которая является более сложной частью, — сказал Ю, — но вам нужно провести реакции выделения водорода и кислорода, чтобы полностью расщепить молекулы воды, вот почему наш следующий шаг — рассмотреть возможность применения этих идей для создания устройств для водородной части реакции».
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом США в рамках программы Инженерного управления и Центров материаловедения и инженерии (MRSEC). Ю работал над проектом со студентами UT Austin Сунилом Ли и Алексом Де Пальмой, а также с Ли Джи, профессором Университета Фудань в Китае.
Новый метод более эффективного извлечения водорода из воды для получения возобновляемой энергии
Кристаллическая структура и полиэдры {MoTe}6, показывающие строительные блоки каждого полиморфа. моноклинная фаза 1T’-MoTe2 и b гексагональная фаза 2H-MoTe2. Кредит: Nature Communications 10.1038/s41467-019-12831-0Ученые говорят, что новый метод более эффективного извлечения водорода из воды может способствовать получению возобновляемой энергии в виде устойчивого топлива.
В новой статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Communications , исследователи из университетов Великобритании, Португалии, Германии и Венгрии описывают, как импульсный электрический ток через слоистый катализатор позволил им почти удвоить количество водорода, производимого за один милливольт электричества, используемого в процессе.
Электролиз, процесс, который, вероятно, знаком всем, кто изучал химию в средней школе, использует электрический ток для разрыва связей между атомами водорода и кислорода в воде, высвобождая газообразный водород и кислород. Если электрический ток для процесса электролиза вырабатывается за счет возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца, весь процесс не выбрасывает дополнительного углерода в атмосферу, что не способствует изменению климата. Затем газообразный водород можно использовать в качестве источника топлива с нулевым уровнем выбросов в некоторых видах транспорта, таких как автобусы и автомобили, или для отопления домов.
Исследования группы были сосредоточены на поиске более эффективного способа производства водорода посредством электрокаталитической реакции расщепления воды. Они обнаружили, что электроды, покрытые катализатором из теллурида молибдена, показали увеличение количества газообразного водорода, образующегося во время электролиза, когда применялась определенная схема сильноточных импульсов.
Доктор Алексей Ганин из Школы химии Университета Глазго руководил исследовательской группой. Д-р Ганин сказал: «В настоящее время Великобритания удовлетворяет около трети своих потребностей в производстве энергии за счет возобновляемых источников, а в Шотландии этот показатель составляет около 80%.
производить больше возобновляемой электроэнергии, чем требует наше потребление. Однако в настоящее время избыток генерируемой энергии должен использоваться по мере ее производства, иначе она будет потрачена впустую. Жизненно важно, чтобы мы разработали надежный набор методов для хранения энергии для последующего использования.
«Батарейки — один из способов сделать это, но водород — очень многообещающая альтернатива. Наше исследование дает новый важный взгляд на более эффективное и экономичное производство водорода путем электролиза, и мы стремимся продолжить это многообещающее направление исследований. »
Поскольку уровень каталитического усиления контролируется электрическими токами, последние достижения в области машинного обучения можно использовать для точной настройки правильной последовательности применяемых токов для достижения максимальной производительности. Следующим этапом для команды является разработка протокола искусственного интеллекта для замены человеческого участия в поиске наиболее эффективного использования электронных структур в аналогичных каталитических процессах.
Статья под названием «Быстрая электрохимическая активация MoTe2 для реакции выделения водорода» опубликована в Nature Communications.
Дополнительная информация: Быстрая электрохимическая активация MoTe2 для реакции выделения водорода, Nature Communications doi.org/10.1038/s41467-019-12831-0, www.nature.com/articles/s41467-019-12831-0
Предоставлено Университет Глазго
Цитата :
Новый метод более эффективного извлечения водорода из воды для получения возобновляемой энергии (2019, 29 октября)
получено 29 марта 2023 г.
