Как можно производить экологически чистый водород более эффективно и дешево? Маленькие частицы рутения и солнечные системы электролиза воды могут дать ответ. Это решение было найдено совместной командой, состоящей из Итальянского технологического института (IIT) в Генуе и BeDimensional SpA (дочерней компании IIT).
Технология, разработанная в рамках деятельности совместной лаборатории и недавно опубликованная в двух журналах с высоким импакт-фактором (Nature Communications и Journal of the American Chemical Society), основана на новом семействе электрокатализаторов, которые могут снизить стоимость производства зеленого водорода в промышленных масштабах.
Водород считается устойчивым энергоносителем и альтернативой ископаемому топливу. Но не весь водород одинаково влияет на окружающую среду. Фактически, в настоящее время основным методом производства водорода является паровая конверсия метана, процесс на основе ископаемого топлива, при котором в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ (CO2).
Водород, получаемый в результате этого процесса, подразделяется на «серый» (диоксид углерода выбрасывается в атмосферу) и «синий» (диоксид углерода улавливается и геологически хранится). Чтобы значительно сократить выбросы до нуля к 2050 году, эти процессы необходимо заменить более экологически устойчивыми процессами получения «зеленого» (то есть с нулевыми выбросами) водорода. Стоимость «зеленого» водорода зависит, прежде всего, от энергоэффективности устройства (электролизера), разделяющего молекулы воды на водород и кислород.
Исследователи из совместной команды, стоящей за открытием, разработали новый метод, который обещает большую эффективность, чем известные в настоящее время методы преобразования электрической энергии (смещение энергии, используемое при расщеплении молекул воды) в химическую энергию, запасенную в образующихся молекулах водорода. Исследовательская группа разработала концепцию катализатора и использовала возобновляемую энергию, например, электричество, вырабатываемое солнечными батареями.
«Наше исследование показывает, что можно максимизировать эффективность зрелой технологии, несмотря на первоначальные инвестиции, немного превышающие те, которые необходимы для стандартных электролизеров. Это потому, что мы используем рутений, драгоценный металл», - комментируют Цзо Юн и Мишель Ферри из группы нанохимии Международного политехнического института Генуи.
Исследователи использовали наночастицы рутения, драгоценного металла, который имеет сходные с платиной химические свойства, но намного дешевле. Наночастицы рутения служат активной фазой в катоде электролизера, тем самым повышая эффективность всего электролизера.
«Мы оценили каталитическую активность нашего материала путем проведения электрохимических анализов и испытаний в промышленно важных условиях. Кроме того, теоретическое моделирование позволило нам понять каталитическое поведение наночастиц рутения на молекулярном уровне; другими словами, понять механизм расщепления воды на их поверхности», — объясняют Себастьяно Беллани и Марилена Заппиа из BeDimensional, которые участвовали в открытии. «Объединив экспериментальные данные и другие параметры процесса, мы провели технико-экономический анализ, который показал, что технология конкурентоспособна по сравнению с современными электролизерами».
Рутений, драгоценный металл, получаемый как побочный продукт добычи платины, производится в небольших количествах (30 тонн в год по сравнению с 200 тоннами платины в год), но с более низкой себестоимостью (18,50 долларов США за грамм по сравнению с 30 долларами США за грамм платины). В новой технологии используется всего 40 миллиграммов рутения на киловатт, в отличие от электролизера с протонообменной мембраной, где активно используются платина (до 1 грамма на киловатт) и иридий (от 1 до 2,5 грамма на киловатт, при этом иридий стоит около 150 долларов за грамм).
Используя рутений, исследователи из Индийского технологического института и компании BeDimensional повысили эффективность щелочных электролизеров — технологии, которая использовалась десятилетиями из-за своей надежности. Например, эта технология использовалась в космической капсуле «Аполлон-11», которая отправила людей на Луну в 1969 году. Недавно разработанная линейка катодов на основе рутения для щелочных электролизеров высокоэффективна и имеет длительный срок службы, что позволяет снизить стоимость производства зеленого водорода.
«В будущем мы планируем применить эту и другие технологии, такие как наноструктурированные катализаторы на основе устойчивых 2D-материалов, в модернизированных электролизерах, работающих на возобновляемых источниках энергии, включая электричество, вырабатываемое фотоэлектрическими панелями», — заключили исследователи.
Источник составления: ScitechDaily.