Австралийские исследователи используют мочу для снижения затрат на производство водорода
Аккумулятор Trojan 31XHS
Австралийские исследователи разработали системы электролиза, которые используют мочевину, получаемую из мочи и сточных вод, для производства водорода со «значительно более низкими» затратами энергии, чем при традиционных методах расщепления воды.
Исследователи из Университета Аделаиды и Центра передового опыта Австралийского исследовательского совета в области углеродных наук и инноваций (COE-CSI) создали две системы электролиза, которые используют мочевину, содержащуюся в моче и сточных водах, для производства водорода, сокращая при этом потребление электроэнергии на 27% по сравнению с производством водорода на водной основе.
Главный исследователь COE-CSI профессор Яо Чжэн сказал, что этот подход не только делает «зелёный» водород экономически конкурентоспособным по сравнению с альтернативами, получаемыми из ископаемого топлива, но и создаёт элегантное решение для очистки сточных вод.
«Хотя мы ещё не решили все проблемы, при масштабировании этих систем наши системы будут производить безвредный азот вместо токсичных нитратов и нитритов, и любая из этих систем будет потреблять на 20–27% меньше электроэнергии, чем системы, расщепляющие воду», — сказал он.
Водород обычно получают с помощью электролиза, расщепляющего воду на кислород и водород. Исследовательская группа заявила, что этот процесс «слишком затратный» и энергоёмкий: для запуска реакции требуется напряжение 1,23 В, в то время как для расщепления мочевины, которая как носитель водорода имеет более низкий термодинамический барьер разложения, чем вода, требуется всего 0,37 В.
В своём первом исследовании команда использовала безмембранную систему электролиза с катализатором на основе меди и чистой мочевиной в качестве исходного сырья. Эта мочевина была получена в результате процесса синтеза аммиака по методу Габера — Боша. Чтобы избежать этого энергозатратного процесса с выбросами углерода, была разработана вторая система для использования мочевины, содержащейся в моче.
«Нам нужно снизить стоимость производства водорода, но при этом сохранить углеродный баланс, — сказал Чжэн. — В нашей первой статье, несмотря на использование уникальной бесмембранной системы и нового катализатора на основе меди, применялась чистая мочевина, которая производится в процессе синтеза аммиака по методу Габера-Боша, который является энергозатратным и выделяет много CO₂».
«Мы решили эту проблему, используя экологически чистый источник мочевины — человеческую мочу, которая является основой системы, описанной в нашей второй статье».
Хотя моча является многообещающим источником мочевины, она сама по себе представляет проблему. Она содержит ионы хлора, которые могут вызывать нежелательные химические реакции во время электролиза. В результате этих реакций образуется газообразный хлор, который разъедает анод системы и снижает ее долговечность.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали вторую систему, в которой используется механизм окисления с участием хлора, перенаправляющий ход реакции с помощью катализаторов на основе платины, нанесённых на углерод.
Исследователи заявили, что такой подход не только защищает анод, но и обеспечивает эффективную выработку водорода из мочи. Система на основе платины позволяет снизить потребление электроэнергии до 4,05 кВт/ч на кубический метр водорода, что превосходит традиционный электролиз воды (4,70–5,00 кВт/ч).
«Финансовые последствия этого прорыва могут изменить ситуацию с «зелёным» водородом», — заявили они, добавив, что, согласно расчётам, водород, производимый с помощью их системы, стоит дешевле, чем традиционно добываемый «серый» водород из ископаемого топлива.
«Безмембранный электролизер промышленного масштаба, основанный на этой системе, успешно снижает стоимость производства водорода до 1,81 доллара США за килограмм (2,79 доллара США), что ниже, чем у «серого» водорода, и ниже технического целевого показателя Министерства энергетики США на 2030 год в 2,00–2,50 доллара США (3,08–3,85 доллара США) за килограмм», — заявили исследователи.
Сейчас команда работает над созданием полностью бесмембранных систем, которые будут одновременно восстанавливать «зелёный» водород и очищать сточные воды, богатые азотом. Также было признано, что использование платины в качестве каталитического материала нецелесообразно, и команда стремится разработать альтернативы из недрагоценных металлов.
Исследование опубликовано в Angewandte Chemie International Edition и Nature Communications.