Расщепление морской воды может стать бесконечным источником зеленого водорода

Лишь немногие климатические решения имеют недостатки. «Зеленый» водород, полученный с использованием возобновляемой энергии для расщепления молекул воды, может использоваться в тяжелых транспортных средствах и декарбонизировать такие отрасли, как сталелитейная промышленность, не выделяя при этом ни малейшего запаха углекислого газа. Но поскольку водоразделительные машины или электролизеры предназначены для работы с чистой водой, увеличение количества зеленого водорода может усугубить глобальную нехватку пресной воды. Теперь несколько исследовательских групп сообщают о достижениях в производстве водорода непосредственно из морской воды, который может стать неисчерпаемым источником зеленого водорода.

«Это направление будущего», — говорит Чжифэн Рен, физик из Хьюстонского университета (UH). Однако доктор Кибрия, химик по материалам из Университета Калгари, говорит, что на данный момент есть более дешевое решение: подача морской воды в установки опреснения, которые могут удалять соли до того, как вода попадет в обычные электролизеры.

Сегодня почти весь водород производится путем расщепления метана и сжигания ископаемого топлива для получения необходимого тепла и давления. Оба этапа выделяют углекислый газ. Зеленый водород мог бы заменить этот грязный водород, но на данный момент он стоит более чем в два раза дороже, примерно 5 долларов за килограмм. Частично это связано с высокой стоимостью электролизеров, в которых используются катализаторы из драгоценных металлов. Министерство энергетики США недавно начало десятилетнюю программу по усовершенствованию электролизеров и снижению стоимости зеленого водорода до 1 доллара за килограмм.

Если они добьются успеха и производство экологически чистого водорода резко возрастет, давление на мировые запасы пресной воды может возрасти. Для получения 1 килограмма водорода с помощью электролиза требуется около 10 килограммов воды. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, для работы грузовиков и ключевых отраслей промышленности на «зеленом» водороде может потребоваться примерно 25 миллиардов кубических метров пресной воды в год, что эквивалентно потреблению воды в стране с населением 62 миллиона человек.

Морская вода практически безгранична, но ее расщепление сопряжено со своими проблемами. Электролизеры устроены так же, как батареи: пара электродов окружена водянистым электролитом. В одной конструкции катализаторы на катоде расщепляют молекулы воды на ионы водорода (H+) и гидроксила (OH-). Избыточные электроны на катоде сшивают пары ионов водорода в газообразный водород (H2), который пузырьками выходит из воды. Тем временем ионы OH- проходят через мембрану между электродами и достигают анода, где катализаторы связывают кислород в газообразный кислород (O2), который высвобождается.

Однако при использовании морской воды тот же электрический разряд, который генерирует O2 на аноде, также преобразует ионы хлорида в соленой воде в высококоррозионный газообразный хлор, который разъедает электроды и катализаторы. Обычно это приводит к выходу из строя электролизеров всего за несколько часов, хотя они могут нормально работать годами.

Теперь три группы сообщают о попытках остановить эту коррозию. Исследователи во главе с Насиром Махмудом, ученым-материаловедом из Университета RMIT в Мельбурне, сообщили в выпуске Small от 8 февраля, что, покрывая свои электроды отрицательно заряженными соединениями, такими как сульфаты и фосфаты, они могут отталкивать отрицательно заряженные ионы хлорида и предотвращать образование газообразный хлор. Команда RMIT сообщила о практически полном отсутствии деградации своих электродов в течение двух месяцев, хотя при этом выделялось лишь незначительное количество водорода. С тех пор в неопубликованной работе исследователи укрепили свою установку по производству водорода так же быстро, как коммерческие электролизеры для пресной воды, говорит Махмуд.

Шичжан Цяо, нанотехнолог из Университета Аделаиды, и его коллеги внесли изменения во второй тип электролизера, в котором используется мембрана, проницаемая только для ионов H+. Эта установка расщепляет молекулы воды на аноде, а не на катоде, отбирая электроны до свободных ионов H+. Ионы мигрируют через мембрану к катоду, где соединяются с электронами, образуя H2. Цяо и его коллеги покрыли свои электроды оксидом хрома, который притягивал пузырь ионов OH-, отталкивающий ионы хлорида. Устройство расщепляло морскую воду в течение 100 часов при сильном течении без разложения, сообщают они в выпуске журнала Nature Energy от 30 января. «Я очень рад видеть такой умный дизайн», — говорит физик-материаловед из UH Шу Чен.