Исследователи из Наньянского технологического университета в Сингапуре разработали необычную солнечную установку, которая одновременно решает две экологические задачи: производит водород из морской воды и удаляет из нее токсичный промышленный загрязнитель — гидразин.
Устройство получило название «искусственный лист» благодаря принципу работы, напоминающему фотосинтез. Оно улавливает солнечный свет и непосредственно преобразует его в электрическую энергию, необходимую для химической реакции. При этом внешнее электропитание не требуется. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Как работает «искусственный лист»
Производство так называемого зеленого водорода обычно основано на электролизе — процессе, при котором электрический ток расщепляет молекулы воды. На отрицательном электроде, катоде, образуется водород, а на положительном, аноде, в стандартной схеме выделяется кислород.
Использование морской воды кажется логичным способом сделать технологию устойчивее: пресной воды требуется меньше, а предварительное опреснение можно исключить. Но здесь возникает серьезная проблема. Хлорид-ионы, содержащиеся в морской воде, способны мешать электрохимической реакции, снижать ее эффективность и вызывать образование агрессивных соединений хлора. Они же ускоряют коррозию электродов.
Сингапурские ученые во главе с профессором Лидией Вонг (Lydia H. Wong) предложили изменить саму химическую реакцию на положительном электроде.
Вместо обычного выделения кислорода анодный катализатор расщепляет гидразин — токсичное химическое соединение, которое может присутствовать в промышленных сточных водах. При этом образуются водород и азот.
И здесь возникает своеобразный химический «двойной выигрыш»: реакция с гидразином требует меньше энергии, чем традиционное образование кислорода. Поэтому солнечная энергия используется эффективнее, а загрязнитель одновременно превращается в полезный продукт.
Катализатор одновременно очищает воду
Ключевой элемент анода — катализатор на основе железа, кобальта и хрома. Он ускоряет расщепление гидразина и при этом устойчив к коррозии.
Такая конструкция решает еще одну проблему электролиза морской воды: благодаря изменению химии анода удается подавить образование токсичных и коррозионно-активных соединений хлора.
В результате один и тот же процесс одновременно выполняет две функции:
- производит водород;
- разрушает загрязняющий воду гидразин.
Причем дополнительная стадия очистки воды от гидразина перед производством водорода не требуется.
Откуда берется энергия
Чтобы система могла работать непосредственно от солнечного света, исследователи создали светочувствительный катод на основе свинцовых галогенидных перовскитов.
Перовскиты — класс полупроводниковых материалов, способных эффективно поглощать свет и преобразовывать его энергию в электрический ток. Именно этот ток затем используется для запуска электрохимических реакций.
Однако у перовскитов есть известная проблема — они могут разрушаться под воздействием воды и окружающей среды. Поэтому фотоэлектрод дополнительно защитили покрытием из проводящей эпоксидной смолы с частицами серебра и меди, а также титановой фольгой.
Получившийся фотоэлектрохимический элемент испытывали как на искусственно приготовленной, так и на настоящей морской воде. В обоих случаях устройство смогло стабильно генерировать электрический ток под воздействием света.
Какие результаты получили ученые
При освещении, соответствующем солнечному свету в ясный день у поверхности Земли, установка сохраняла стабильную работу более 72 часов.
Плотность фототока достигала 25 мА/см². Этот показатель характеризует количество электрического тока, которое устройство способно генерировать на единицу освещенной площади, и оказался одним из самых высоких среди опубликованных результатов для катодов на основе свинцовых перовскитов.
Скорость производства водорода составила 466 мкмоль/см² в час — показатель, сопоставимый с другими солнечными установками подобного типа.
Но еще показательнее оказалась работа с загрязнителем.
Изначально концентрация гидразина в испытательной воде составляла 0,5 М — примерно 1,6% по массе. Всего за 30 часов устройство снизило ее до 0,5 части на миллиард (ppb).
Для сравнения, это более чем в 20 раз ниже предельного уровня 10 ppb, установленного Агентством по охране окружающей среды США (EPA).
Почему это важно для зеленой энергетики
Главная особенность разработки заключается не столько в самом производстве водорода, сколько в объединении нескольких процессов в одном устройстве.
Обычная солнечная установка должна получать относительно чистую воду, а загрязненные промышленные стоки требуют отдельной очистки. Здесь же загрязнение становится частью химического процесса, который помогает производить топливо.
По словам Лидии Вонг, такая система позволяет одновременно решать энергетическую и экологическую проблемы. Профессор фотохимии и устойчивой энергетики Оксфордского университета Джеймс Дюррант (James Durrant), не участвовавший в исследовании, отметил, что ценность разработки заключается именно в создании многофункциональной фотоэлектрохимической системы.
Иными словами, исследователи предлагают изменить сам подход к солнечному производству топлива: вместо одного полезного продукта система должна по возможности одновременно перерабатывать отходы и загрязнители.
Что будет дальше
Пока «искусственный лист» остается лабораторной разработкой. Следующий этап — проверить, насколько хорошо тот же принцип работает с другими загрязняющими веществами.
Ученые уже планируют создавать новые катализаторы, которые смогут разрушать не только гидразин, но и другие промышленные загрязнители. Еще одно направление — использование отходов в качестве исходного сырья для получения полезных веществ, включая топлива и промышленно значимые химикаты.
Если подобные системы удастся масштабировать, солнечная энергия сможет использоваться не просто для производства экологически чистого водорода. Она одновременно будет запускать очистку воды от опасных примесей.
Пожалуй, именно в этом и заключается наиболее интересная идея работы: вместо того чтобы рассматривать производство топлива и очистку окружающей среды как две разные задачи, ученые пытаются заставить одну технологию выполнять их одновременно.
