Аннотация:
Исследователи недавно разработали новое устройство «искусственный лист», вдохновленное натуральными листьями, которое может использовать солнечный свет для производства чистого водорода непосредственно из загрязненной морской воды и в то же время разлагать токсичный загрязнитель гидразин в промышленных сточных водах, одновременно выполняя две функции: производство энергии и очистку воды. Этот результат был опубликован в журнале Nature Communications и считается, что он обеспечивает более эффективную и устойчивую новую идею для будущего производства экологически чистой водородной энергии.
Водород широко рассматривается как один из важных источников чистой энергии будущего, но традиционный процесс производства водорода часто требует большого количества энергии. В настоящее время более распространенным методом является электролиз воды, при котором используется электрический ток для расщепления воды на водород и кислород. Однако большинство систем электролиза полагаются на драгоценные ресурсы пресной воды. Несмотря на обилие морской воды, ее трудно напрямую использовать, поскольку она содержит большое количество ионов хлорида. Ионы хлорида не только снижают эффективность реакции, но также могут образовывать коррозийные и токсичные побочные продукты хлорирования, вызывая повреждение оборудования.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработала новое устройство на основе света. Устройство может собирать солнечную энергию так же, как листья растений осуществляют фотосинтез, и преобразовывать световую энергию непосредственно в электрическую энергию, необходимую для запуска химических реакций, без необходимости дополнительного внешнего источника питания.
Исследовательская группа внедрила в анодную часть устройства катализатор, состоящий из железа, кобальта и хрома. Катализатор расщепляет гидразин, высокотоксичное химическое вещество, обычно встречающееся в промышленных сточных водах, на водород и азот. По сравнению с реакцией, в ходе которой образуется кислород в традиционных процессах электролиза воды, этот процесс окисления гидразина требует меньше энергии, поэтому он может значительно повысить общую эффективность производства водорода. В то же время гидразин как загрязнитель эффективно удаляется, реализуя функцию очистки сточных вод.
Исследователи утверждают, что такая конструкция приносит двойную выгоду. С одной стороны, катод использует солнечный свет, чтобы заставить морскую воду производить водород; с другой стороны, анод также производит дополнительный водород при переработке вредного гидразина, тем самым увеличивая общее производство водорода в системе. Кроме того, катализатор обладает превосходной коррозионной стойкостью, а его электрические, физические и химические свойства можно регулировать в соответствии с различными требованиями применения.
Что еще более важно, этот механизм реакции может также значительно ингибировать образование вредных побочных продуктов хлорида во время электролиза морской воды. За счет снижения образования коррозионных и токсичных веществ ожидается улучшение стабильности работы и срока службы оборудования.
В части фотоэлектрического преобразования исследователи использовали перовскитные материалы на основе галогенида свинца для изготовления катодов. Этот тип полупроводникового материала привлек широкое внимание в последние годы из-за его высокой эффективности поглощения световой энергии и преобразования ее в электрическую энергию. Чтобы предотвратить разрушение материала в морской воде, команда защитила его с помощью проводящей эпоксидной смолы, содержащей частицы серебра и меди, а также титановой фольги.
Результаты экспериментов показывают, что устройство может стабильно генерировать ток как в моделируемой морской воде, так и в реальных пробах морской воды. Его плотность фототока достигает 25 миллиампер на квадратный сантиметр, что находится на лидирующем уровне среди текущих сообщаемых результатов перовскитного фотокатода на основе свинца, что указывает на его превосходную способность преобразования солнечной энергии.
Тест стабильности также показал хорошие результаты. В условиях, эквивалентных интенсивности естественного солнечного света в ясный день, устройство работает непрерывно более 72 часов, и его производительность остается стабильной. В то же время концентрация гидразина была снижена с 0,5 моль на литр до 0,5 частей на миллиард (ppb), что значительно ниже предела безопасности Агентства по охране окружающей среды США в 10 частей на миллиард.
Исследовательская группа считает, что эта технология доказывает возможность использования солнечной энергии для прямого использования морской воды для производства водорода и одновременной очистки загрязняющих веществ. Далее они планируют еще больше расширить сферу применения платформы, чтобы она могла обрабатывать больше типов загрязняющих веществ, и изучить возможность переработки отходов в топливо или промышленные химикаты, тем самым способствуя комплексному развитию зеленой энергетики и технологий управления окружающей средой.
Комментарии