Учените от Технологичния университет „Нанянг“ (NTU) в Сингапур са разработили устройство, захранвано със слънчева енергия, което произвежда водород от морска вода, като същевременно разгражда хидразин – силно токсичен промишлен замърсител. Изследователите описват системата като подход с двойно предназначение, който съчетава производството на чисто гориво с пречистването на отпадъчни води. Системата използва слънчевата светлина за генериране на електроенергията, необходима за протичането на химичните реакции. Вдъхновено от начина, по който листата улавят слънчевата светлина, устройството работи без външно захранване.

Катализаторът променя реакцията на електролизата

Зеленият водород обикновено се произвежда чрез електролиза, при която електричеството кара водните молекули да се разпадат на водород и кислород. Електроните достигат катода, или отрицателния електрод, където спомагат за образуването на водороден газ.

Използването на морска вода би могло да направи процеса по-устойчив, като се избегне необходимостта от прясна вода и допълнително пречистване за отстраняване на солта. Морската вода обаче съдържа хлорни йони, които могат да попречат на електролизата. Процесът може също да доведе до образуването на корозивни и токсични хлорни съединения, които увреждат електродите.

Екипът от NTU, ръководен от професор Лидия Уонг от Факултета по наука за материалите и инженерство е решил тези проблеми, като е променил реакцията на анода. Положителният електрод съдържа катализатор, изработен от желязо, кобалт и хром, който разгражда хидразина до водород и азот. Тъй като тази реакция изисква по-малко енергия, отколкото производството на кислород при конвенционалната електролиза на вода, системата може да произвежда водород с по-ниски енергийни изисквания. Анодът също така отстранява хидразина от водата, като същевременно генерира допълнителен водород.

Перовскитен електрод улавя слънчева светлина

Изследователите са изработили катода, използвайки перовскити на базата на оловен халид – полупроводников материал, способен да абсорбира слънчева светлина и да я преобразува в електричество. За защита на катода от разграждане е била използвана проводима епоксидна смола, съдържаща частици от сребро и мед, заедно с титанов фолио.

Тестове със симулирана и истинска морска вода са показали, че устройството може да генерира стабилен електрически ток при осветяване. То постигна плътност на фототока от 25 mA cm⁻², измерена като токът, генериран в осветената площ на електрода. Системата продължи да работи повече от 72 часа при осветеност, еквивалентна на слънчевата светлина в ясен ден на повърхността на Земята. Тя произвеждаше водород със скорост от 466 μmol cm⁻² h⁻¹, което според изследователите е сравнимо с други системи, захранвани със слънчева енергия.

Устройството демонстрира и способността си за пречистване на отпадъчни води. То разгради хидразина директно във водата, без да е необходимо първо да се отдели замърсителят. В рамките на 30 часа системата намали концентрацията на хидразин от 0,5 M, което съответства на около 1,6 процента по тегло, до 0,5 части на милиард. Тази крайна концентрация беше над 20 пъти по-ниска от допустимата граница от 10 ppb, определена от Агенцията за опазване на околната среда на САЩ.

„Това устройство с двойна функция представлява значителен скок напред в областта на екологичните технологии. Чрез ефективното събиране на слънчева енергия за разграждане на токсичен промишлен замърсител и едновременното получаване на чисто гориво, ние решаваме както енергиен проблем, така и проблем със замърсяването. Пробивът тук не се състои просто в производството на слънчев водород, а в демонстрирането на практически път към многофункционални фотоелектрохимични системи. Такива подходи с двойна цел вероятно ще играят все по-важна роля в бъдещото внедряване на технологиите за слънчеви горива, където икономическата стойност и въздействието върху околната среда трябва да вървят ръка за ръка.“

заявиха учените

В момента екипът разработва катализатори, които биха могли да се насочат към други замърсители и да превръщат отпадъчните материали в полезни продукти, включително горива и промишлени химикали.