Коктейль елементів у морській воді, включаючи водень, кисень, натрій та інші, необхідний для життя на Землі. Однак цей складний хімічний склад створює проблему при спробі відокремити газоподібний водень для сталого використання енергії.
Нещодавно група вчених із Національної прискорювальної лабораторії SLAC Департаменту енергетики, Стенфордського університету, Орегонського університету та Манчестерського столичного університету виявила метод вилучення водню з океану. Вони досягають цього, направляючи морську воду через систему подвійної мембрани та електрику.
Їхня інноваційна конструкція виявилася успішною у виробництві газоподібного водню без утворення великої кількості шкідливих побічних продуктів. Результати їхнього дослідження, нещодавно опубліковані в журналі Joule , можуть сприяти розвитку зусиль із виробництва палива з низьким вмістом вуглецю.
«Сьогодні багато систем вода-водень намагаються використовувати одношарову або одношарову мембрану. Наше дослідження об’єднало два рівні», — сказав Адам Ніландер, науковий співробітник SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, спільного інституту SLAC-Стенфорд. «Ці мембранні архітектури дозволили нам контролювати рух іонів у морській воді в нашому експерименті».
Водень — це паливо з низьким вмістом вуглецю, яке в даний час використовується багатьма способами, наприклад, для роботи електромобілів на паливних елементах і як варіант тривалого накопичення енергії — такий, який підходить для зберігання енергії протягом тижнів, місяців або довше — для електромобілів. сітки.
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 менше плаваючих 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, або двошарову, мембранну систему та випробувала її за допомогою електролізу, методу, який використовує електрику для приводу іонів або заряджених елементів для запуску потрібної реакції. Вони почали свою розробку з контролю над найшкідливішим елементом для системи морської води – хлоридом, – сказав Джозеф Перрімен, дослідник SLAC і докторант Стенфордського університету.
«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 і 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.
Дім для водню
Ідеальна мембранна система виконувала б три основні функції: відокремлювала водень і кисень від морської води; допомагають переміщати лише корисні іони водню та гідроксиду, обмежуючи інші іони морської води; і допоможе запобігти небажаним реакціям. Охопити всі три з них 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, проходять через один із шарів мембрани до місця, де їх можна зібрати та перетворити на газоподібний водень шляхом взаємодії з негативно зарядженим електродом. Друга мембрана в системі пропускає лише негативні іони, такі як хлорид.
Як додатковий захист, один шар мембрани містить негативно заряджені групи, які прикріплені до мембрани, що ускладнює переміщення інших негативно заряджених іонів, таких як хлорид, 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 забезпечує краще загальне розуміння того, як іони морської води рухаються через мембрани. Ці знання можуть допомогти вченим розробити більш міцні мембрани для інших застосувань, таких як виробництво кисню.
«Також існує 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 отримання газоподібного 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.
