Mešavina vodonika, kiseonika, natrijuma i drugih elemenata morske vode čini je vitalnom za život na Zemlji. Ali ta ista složena hemija je otežala ekstrakciju gasa vodonika za korišćenje čiste energije.
Sada su istraživači iz Nacionalne akceleratorske laboratorije SLAC odeljenja za energetiku i Univerziteta Stanford sa saradnicima na Univerzitetu Oregon i Mančester Metropolitan univerzitetu pronašli način da izvuku vodonik iz okeana provođenjem morske vode kroz sistem sa dvostrukom membranom i strujom. Njihov inovativni dizajn se pokazao uspešnim u generisanju gasa vodonika bez stvaranja velikih količina štetnih nusproizvoda. Rezultati njihove studije, objavljeni danas u Joule-u, mogli bi da pomognu u unapređenju napora za proizvodnju goriva sa niskim sadržajem ugljenika.
„Mnogi sistemi voda-vodonik danas pokušavaju da koriste jednoslojnu ili jednoslojnu membranu. Naša studija je spojila dva sloja“, rekao je Adam Nilander, naučni saradnik SUNCAT Centra za nauku o interfejsu i katalizu, SLAC-Stanford. zajednički institut. „Ove membranske arhitekture su nam omogućile da kontrolišemo način na koji su se joni u morskoj vodi kretali u našem eksperimentu.“
Gas vodonik je gorivo sa niskim sadržajem ugljenika koje se trenutno koristi na mnogo načina, kao što je za pokretanje električnih vozila sa gorivim ćelijama i kao opcija za dugotrajno skladištenje energije – ona koja je pogodna za skladištenje energije nedeljama, mesecima ili duže – za električne mreže .
Mnogi pokušaji da se napravi gas vodonika počinju sa svežom ili desalinizovanom vodom, ali te metode mogu biti skupe i energetski intenzivne. Sa tretiranom vodom je lakše raditi jer ima manje supstanci — hemijskih elemenata ili molekula — koje plutaju okolo. Međutim, prečišćavanje vode je skupo, zahteva energiju i dodaje složenost uređajima, rekli su istraživači. Druga opcija, prirodna slatka voda, takođe sadrži brojne nečistoće koje su problematične za savremenu tehnologiju, pored toga što su ograničeniji resurs na planeti, kažu oni.
Da bi radio sa morskom vodom, tim je implementirao bipolarni (dvoslojni) membranski sistem i testirao ga pomoću elektrolize, metode koja koristi električnu energiju za pokretanje jona, ili naelektrisanih elemenata, za pokretanje željene reakcije. Započeli su svoj dizajn tako što su kontrolisali najštetniji element za sistem morske vode — hlorid — rekao je Joseph Perriman, SLAC i postdoktorski istraživač sa Stanforda.
„Postoje mnoge reaktivne vrste u morskoj vodi koje mogu da ometaju reakciju voda-vodonik, a natrijum hlorid koji čini morsku vodu slanom je jedan od glavnih krivaca“, rekao je Periman. „Konkretno, hlorid koji dođe do anode i oksidira će smanjiti životni vek sistema elektrolize i zapravo može postati nebezbedan zbog toksične prirode oksidacionih proizvoda koji uključuju molekularni hlor i izbeljivač.
Bipolarna membrana u eksperimentu omogućava pristup uslovima potrebnim za stvaranje gasa vodonika i ublažava hlorid da dođe do reakcionog centra.
„U suštini udvostručujemo načine da zaustavimo ovu reakciju hlorida“, rekao je Periman.
Idealan membranski sistem obavlja tri osnovne funkcije: odvaja vodonik i kiseonik iz morske vode; pomaže u kretanju samo korisnih jona vodonika i hidroksida dok ograničava druge jone morske vode; i pomaže u sprečavanju neželjenih reakcija. Obuhvatiti sve tri ove funkcije zajedno je teško, a istraživanje tima je usmereno na istraživanje sistema koji mogu efikasno da kombinuju sve tri ove potrebe.
Konkretno, u njihovom eksperimentu, protoni, koji su bili pozitivni joni vodonika, prošli su kroz jedan od slojeva membrane do mesta gde su mogli biti sakupljeni i pretvoreni u gas vodonik interakcijom sa negativno naelektrisanom elektrodom (katodom). Druga membrana u sistemu dozvoljavala je da putuju samo negativni joni kao što je hlorid.
Kao dodatni zaštitni mehanizam, jedan membranski sloj je sadržao negativno naelektrisane grupe koje su bile fiksirane za membranu, što je otežavalo drugim negativno naelektrisanim jonima, poput hlorida, da se pomeraju na mesta gde ne bi trebalo da budu, rekla je Danijela Marin, diplomac Stanforda. student hemijskog inženjerstva i koautor. Negativno naelektrisana membrana se pokazala kao veoma efikasna u blokiranju skoro svih hloridnih jona u eksperimentima tima, a njihov sistem je radio bez stvaranja toksičnih nusproizvoda kao što su izbeljivač i hlor.
Zajedno sa dizajniranjem membranskog sistema morske vode do vodonika, studija je takođe pružila bolje opšte razumevanje o tome kako se joni morske vode kreću kroz membrane, rekli su istraživači. Ovo znanje bi moglo pomoći naučnicima da dizajniraju jače membrane i za druge primene, kao što je proizvodnja gasa kiseonika.
„Takođe postoji interesovanje za korišćenje elektrolize za proizvodnju kiseonika“, rekao je Marin. „Razumevanje toka jona i konverzije u našem sistemu bipolarne membrane je takođe kritično za ovaj napor. Pored proizvodnje vodonika u našem eksperimentu, takođe smo pokazali kako da koristimo bipolarnu membranu za generisanje gasa kiseonika.“
Zatim, tim planira da poboljša svoje elektrode i membrane tako što će ih izgraditi od materijala koji su u izobilju i koji se lako iskopavaju. Ovo poboljšanje dizajna moglo bi olakšati skaliranje sistema elektrolize do veličine potrebne za proizvodnju vodonika za energetski intenzivne aktivnosti, kao što je sektor transporta, rekao je tim.
Istraživači se takođe nadaju da će svoje ćelije za elektrolizu odneti u SLAC-ov izvor svetlosti sinhrotronskog zračenja (SSRL), gde mogu da proučavaju atomsku strukturu katalizatora i membrana koristeći intenzivne rendgenske zrake ovog objekta.
„Budućnost je svetla za tehnologije zelenog vodonika“, rekao je Thomas Jaramillo, profesor na SLAC-u i Stanfordu i direktor SUNCAT-a. „Osnovni uvidi koje stičemo su ključni za informisanje o budućim inovacijama za poboljšane performanse, izdržljivost i skalabilnost ove tehnologije.“
