Инженеры Чикагского университета Иллинойса смогли разработать новый метод получения газообразного водорода из воды с использованием только солнечной энергии и сельскохозяйственных отходов, таких как навоз или шелуха. Этот метод позволяет снизить затраты энергии на извлечение водорода из воды на 600%, создавая новые возможности для устойчивого, безвредного для климата химического производства.
Топливо на основе водорода – один из самых перспективных источников чистой энергии. Однако производство чистого водорода – энергоемкий процесс, для которого часто требуется уголь или природный газ и большое количество электроэнергии.
В статье, опубликованной в журнале Cell Reports Physical Science, группа специалистов из нескольких институтов под руководством инженера Калифорнийского университета Минеша Сингха (Meenesh Singh) представила новый процесс производства экологически чистого водорода.
Метод использует богатое углеродом вещество под названием биоуголь для снижения количества электроэнергии, необходимой для преобразования воды в водород. Благодаря использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия или ветер, и получению побочных продуктов для других целей, процесс может сократить выбросы парниковых газов до нуля.
«Мы – первая группа, которая показала, что можно производить водород из биомассы за долю вольта. Это революционная технология», – говорит Сингх, доцент кафедры химического машиностроения. Для электролиза, процесса расщепления воды на водород и кислород, требуется электрический ток. В промышленных масштабах для его выработки обычно требуется ископаемое топливо.
Недавно ученые снизили напряжение, необходимое для расщепления воды, введя в реакцию источник углерода. Но этот процесс также использует уголь или дорогие химикаты и выделяет углекислый газ в качестве побочного продукта. Сингх и его коллеги модифицировали этот процесс, чтобы вместо него использовать биомассу из обычных отходов. Смешивая серную кислоту с сельскохозяйственными отходами животноводства или сточными водами, они получают суспензию, напоминающую биосахар, который богат углеродом.
Команда экспериментировала с различными видами биоугля, изготовленного из шелухи сахарного тростника, отходов конопли, бумаги и коровьего навоза. При добавлении в электролизную камеру все пять видов биоугля снижали мощность, необходимую для преобразования воды в водород. Коровье удобрение, показавшее наилучшие результаты, снизило потребность в электричестве в 6 раз до одной пятой вольта.
Потребность в энергии была настолько низкой, что исследователи смогли обеспечить реакцию одним стандартным кремниевым солнечным элементом, генерирующим ток силой примерно 15 миллиампер при напряжении 0,5 вольта, что меньше, чем энергия, вырабатываемая батарейкой AA.
«Это очень эффективно, почти 35% преобразования биоугля и солнечной энергии в водород. Это мировой рекорд, самый высокий показатель, который кто-либо демонстрировал», – говорит Рохит Чаухан, соавтор исследования.
Чтобы сделать процесс нулевым, необходимо улавливать углекислый газ, образующийся в ходе реакции. Сингх говорит, что метод также может иметь экологические и экономические преимущества, например, производство чистого углекислого газа для газирования напитков или преобразование его в этилен и другие химические вещества, используемые в производстве пластика.
«Это не только диверсифицирует использование биоотходов, но и позволяет производить различные химические вещества помимо водорода. Дешевый способ получения водорода может позволить фермерам самостоятельно обеспечивать свои энергетические потребности или создавать новые источники дохода», – говорит Нишитхан Кани, соавтор статьи.