Результаты, опубликованные 18 марта в Трудах Национальной академии наук, демонстрируют новый способ отделения водорода и кислорода от морской воды с помощью электричества. В существующих методах разделения воды используется вода высокой степени очистки, которая является ценным ресурсом и требует больших затрат на производство.
Теоретически, чтобы обеспечить электричеством города и автомобили, «вам нужно столько водорода, что невозможно использовать очищенную воду», – сказал Хунцзе Дай, Дж.грамм. Джексон и С.J. Профессор Вуда по химии в Стэнфорде и соавтор статьи. "У нас едва хватает воды для наших текущих потребностей в Калифорнии."
По словам Дая, водород является привлекательным вариантом в качестве топлива, поскольку он не выделяет углекислый газ.
Сжигание водорода производит только воду и должно облегчить усугубление проблем, связанных с изменением климата.
Дай сказал, что его лаборатория продемонстрировала доказательство концепции с помощью демонстрации, но исследователи предоставят производителям возможность масштабировать и массово производить дизайн.
Борьба с коррозией
По сути, разделение воды на водород и кислород с помощью электричества – называемое электролизом – это простая и старая идея: источник питания подключается к двум электродам, помещенным в воду.
При включении питания газообразный водород выходит из отрицательного конца, называемого катодом, а кислород, пригодный для дыхания, выходит из положительного конца – анода.
Но отрицательно заряженный хлорид в соли морской воды может разъедать положительный конец, ограничивая срок службы системы.
Дай и его команда хотели найти способ не дать компонентам морской воды разрушить затопленные аноды.
Исследователи обнаружили, что если они покрыли анод слоями, богатыми отрицательными зарядами, слои отталкивали хлорид и замедляли распад нижележащего металла.
Они нанесли слой гидроксида никеля и железа поверх сульфида никеля, который покрывает сердцевину из пеноникелевой стали. Пена никеля действует как проводник, переносящий 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 прижимаются друг к другу, отрицательно заряженный слой отталкивает хлорид и не дает ему достичь металла сердечника.
По словам Майкла Кенни, аспиранта лаборатории Дай и соавтора статьи, без отрицательно заряженного покрытия анод работает в морской воде только около 12 часов. "Весь электрод разваливается в крошку", – сказал Кенни. "Но с этим слоем он может работать более тысячи часов."
В предыдущих исследованиях, пытающихся разделить морскую воду для получения водородного топлива, использовался небольшой электрический ток, потому что коррозия происходит при более высоких токах. Но Дай, Кенни и их коллеги смогли провести в 10 раз больше электроэнергии через свое многослойное устройство, что помогает ему генерировать водород из морской воды с большей скоростью.
«Я думаю, что мы установили рекорд по разделению морской воды на течении», – сказал Дай.
Члены команды провели большую часть своих тестов 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 из-за солей, устройство соответствует современным технологиям, использующим очищенную воду. «Впечатляющим моментом в этом исследовании было то, что мы смогли работать при таком же электрическом токе, как тот, который используется сегодня в промышленности», – сказал Кенни.
На удивление просто
Оглядываясь назад, Дай и Кенни видят простоту их дизайна. «Если бы у нас был хрустальный шар три года назад, это было бы за месяц», – сказал Дай. Но теперь, когда разработан базовый рецепт электролиза с морской водой, новый метод откроет двери для увеличения доступности водородного топлива, работающего на солнечной или ветровой энергии.
В будущем эту технологию можно будет использовать не только для производства энергии. Поскольку в процессе также образуется пригодный для дыхания кислород, водолазы или подводные лодки могут приносить устройства в океан и генерировать кислород внизу без необходимости подниматься на поверхность для доступа к воздуху.
Что касается передачи технологии, «можно было бы просто использовать эти элементы в существующих системах электролизеров, и это могло бы быть довольно быстро», – сказал Дай. "Это не похоже на начало с нуля – это больше похоже на начало с 80 или 90 процентов."