Две новые системы электролиза превращают мочу в дешевый водород, одновременно очищая сточные воды, богатые азотом.
Кандидат наук из Университета Аделаиды Синьтун Гао с системой электролиза мочевины без мембраны.
Официальный сайт Университета Аделаиды.
Водород рассматривается как один из самых перспективных источников чистой энергии будущего. Он горит чисто, производит только воду в качестве побочного продукта и предлагает универсальный способ декарбонизации секторов, где электрификация недостаточна, например, тяжелой промышленности, авиации и судоходства.
Он также может служить долгосрочным хранилищем энергии, что делает его ключевым элементом в глобальном движении по постепенному отказу от ископаемого топлива.
Но есть одна загвоздка: производство водорода экологически чистым и доступным способом остается серьезной проблемой.
Большая часть водорода сегодня производится из ископаемого топлива, известного как серый водород, который выделяет большое количество CO₂.
Более чистая альтернатива, электролиз воды, позволяет избежать выбросов, но требует огромного количества электроэнергии, что делает его невыгодным во многих регионах. Этот компромисс не позволил зеленому водороду достаточно быстро масштабироваться.
Ученые обратились к неожиданному источнику: моче
Теперь исследователи из Университета Аделаиды и Центра передового опыта в области углеродной науки и инноваций ARC (COE-CSI) разработали две инновационные системы электролиза, которые используют мочевину из мочи и сточных вод человека для более эффективного производства водорода.
Их системы сокращают потребление электроэнергии на 20–27% по сравнению с расщеплением воды и устраняют токсичные побочные продукты в процессе.
«Хотя мы еще не решили все проблемы, при увеличении масштабов этих систем наши системы будут производить безвредный азотный газ вместо токсичных нитратов и нитритов, и каждая из них будет потреблять на 20–27 процентов меньше электроэнергии, чем системы расщепления воды», — сказал профессор Яо Чжэн, главный исследователь COE-CSI.
От мочевины, полученной в лабораторных условиях, до настоящих человеческих отходов
В своем первом исследовании команда использовала новую безмембранную систему, работающую на основе катализатора на основе меди и чистой мочевины.
Однако чистую мочевину обычно производят по методу Габера-Боша, который является энергоемким и сопряжен с выбросами углерода.
Для решения этой проблемы была разработана вторая система, работающая на настоящей моче — более устойчивом и доступном источнике.
«Нам нужно снизить стоимость производства водорода, но углеродно-нейтральным способом», — сказал Чжэн. «Система в нашей первой статье, используя уникальную безмембранную систему и новый катализатор на основе меди, использовала чистую мочевину, которая производится с помощью процесса синтеза аммиака Габера-Боша, который является энергоемким и выделяет много CO₂. Мы решили эту проблему, используя зеленый источник мочевины — человеческую мочу, — которая является основой системы, рассмотренной в нашей второй статье».
Борьба с хлорной коррозией в моче
Моча, хотя и является многообещающим источником мочевины, представляет свою собственную проблему. Она содержит ионы хлора, которые могут вызывать нежелательные химические реакции во время электролиза.
В результате этих реакций выделяется газообразный хлор, который разъедает анод системы и со временем выводит ее из строя.
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали механизм окисления с участием хлора. Вместо того, чтобы позволить ионам хлора вызывать коррозию, новая система перенаправляет путь реакции с использованием катализаторов на основе платины, нанесенных на углерод.
Такой подход не только защищает анод, но и поддерживает эффективное производство водорода из мочи.
На пути к устойчивому и недорогому водороду
Платина работает, но она дорогая и редкая. Вот почему следующим шагом является разработка катализаторов на основе недрагоценных металлов с углеродным носителем для дальнейшего сокращения расходов и улучшения масштабируемости.
В настоящее время команда работает над созданием полностью безмембранных систем, которые будут как извлекать зеленый водород, так и очищать сточные воды, богатые азотом.
Исследование опубликовано в журналах Angewandte Chemie International Edition и Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
