Смесь водорода, кислорода, натрия и других элементов в морской воде делает ее жизненно важной для жизни на Земле. Но та же самая сложная химия затруднила извлечение газообразного водорода для использования в чистой энергии.
Теперь исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета вместе с сотрудниками из Орегонского университета и Манчестерского столичного университета нашли способ получать водород из океана, пропуская морскую воду через двойную мембранную систему и электричество . Их инновационный дизайн доказал свою эффективность в производстве газообразного водорода без образования большого количества вредных побочных продуктов. Результаты их исследования, опубликованные сегодня в журнале Joule , могут помочь в продвижении усилий по производству топлива с низким содержанием углерода.
«Сегодня во многих системах преобразования воды в водород пытаются использовать монослойную или однослойную мембрану. В нашем исследовании мы объединили два слоя», — сказал Адам Ниландер, младший научный сотрудник Центра исследований и катализа SUNCAT, SLAC-Стэнфорд. совместный институт. «Эта мембранная архитектура позволила нам контролировать движение ионов в морской воде в нашем эксперименте».
Газообразный водород — это низкоуглеродное топливо, которое в настоящее время используется по-разному, например, для запуска электромобилей на топливных элементах и в качестве варианта длительного хранения энергии, подходящего для хранения энергии в течение недель, месяцев или дольше, для электрических сетей.
Многие попытки получить газообразный водород начинаются с пресной или опресненной воды, но эти методы могут быть дорогими и энергоемкими. С обработанной водой легче работать, потому что в ней меньше плавающих веществ — химических элементов или молекул. Однако очистка воды стоит дорого, требует энергии и усложняет устройства, говорят исследователи. Другой вариант, природная пресная вода, также содержит ряд примесей, которые проблематичны для современных технологий, помимо того, что это более ограниченный ресурс на планете, говорят они.
Для работы с морской водой команда внедрила биполярную (двухслойную) мембранную систему и протестировала ее с помощью электролиза — метода, использующего электричество для возбуждения ионов или заряженных элементов для запуска желаемой реакции. Они начали свой проект с контроля самого вредного элемента в системе морской воды — хлорида, — сказал Джозеф Перриман, исследователь SLAC и Стэнфордского постдока.
«В морской воде есть много реактивных частиц, которые могут мешать реакции превращения воды в водород, и хлорид натрия , который делает морскую воду соленой, является одним из главных виновников», — сказал Перриман. «В частности, хлорид, который попадает на анод и окисляется, сократит срок службы системы электролиза и может фактически стать небезопасным из-за токсичной природы продуктов окисления, которые включают молекулярный хлор и отбеливатель».
Биполярная мембрана в эксперименте обеспечивает доступ к условиям, необходимым для образования газообразного водорода, и предотвращает попадание хлорида в реакционный центр.
«Мы, по сути, удваиваем способы остановить эту реакцию хлорида», — сказал Перриман.
Дом для водорода
Идеальная мембранная система выполняет три основные функции: отделяет водород и кислород от морской воды; помогает перемещать только полезные ионы водорода и гидроксида, ограничивая другие ионы морской воды; и помогает предотвратить нежелательные реакции. Совместить все эти три функции вместе сложно, и исследования группы направлены на поиск систем, которые могут эффективно сочетать все три из этих потребностей.
В частности, в их эксперименте протоны, которые были положительными ионами водорода, проходили через один из слоев мембраны к месту, где их можно было собрать и превратить в газообразный водород, взаимодействуя с отрицательно заряженным электродом (катодом). Вторая мембрана в системе пропускала только отрицательные ионы, такие как хлорид.
В качестве дополнительной защиты один слой мембраны содержал отрицательно заряженные группы, которые были прикреплены к мембране, что затрудняло перемещение других отрицательно заряженных ионов, таких как хлорид, в места, где их быть не должно, сказала Даниэла Марин, выпускница Стэнфорда. студент химического машиностроения и соавтор. Отрицательно заряженная мембрана оказалась очень эффективной в блокировании почти всех ионов хлорида в экспериментах группы, и их система работала без образования токсичных побочных продуктов, таких как отбеливатель и хлор.
По словам исследователей, наряду с разработкой мембранной системы «морская вода-водород», исследование также позволило лучше понять, как ионы морской воды перемещаются через мембраны. Эти знания могут помочь ученым разработать более прочные мембраны и для других целей, например, для производства газообразного кислорода.
«Есть также некоторый интерес к использованию электролиза для производства кислорода», — сказал Марин. «Понимание ионного потока и преобразования в нашей биполярной мембранной системе также имеет решающее значение для этой работы. Наряду с производством водорода в нашем эксперименте мы также показали, как использовать биполярную мембрану для получения газообразного кислорода».
Затем команда планирует улучшить свои электроды и мембраны, изготовив их из более доступных и легко добываемых материалов. По словам команды, это усовершенствование конструкции может упростить масштабирование системы электролиза до размера, необходимого для производства водорода для энергоемких видов деятельности, таких как транспортный сектор.
Исследователи также надеются доставить свои электролизеры в Стэнфордский источник синхротронного излучения (SSRL) SLAC, где они смогут изучить атомную структуру катализаторов и мембран с помощью интенсивного рентгеновского излучения.
«За зелеными водородными технологиями будущее светлое», — сказал Томас Джарамилло, профессор SLAC и Стэнфорда и директор SUNCAT. «Фундаментальные знания, которые мы получаем, являются ключом к информированию будущих инноваций для повышения производительности, долговечности и масштабируемости этой технологии».
Теги: океан, энергия
