27 октября 2023 г.
Исследователи использовали отходы куриных перьев для изготовления мембран для водородных топливных элементов. Заявляемые мембраны нетоксичны и стоят дешевле традиционных.
Посмотрите на куриное перо, и вы увидите, что оно на 91% состоит из кератина. Теперь группа ученых нашла способ повторно использовать этот обильный побочный продукт сельского хозяйства — и, что неожиданно, они использовали его для производства возобновляемой энергии .
Масштабы мировой птицеводческой отрасли таковы, что ежегодно она производит 6 миллиардов тонн куриных перьев, большая часть которых выбрасывается. Проблема не только в отходах, но и в воздействии, которое они оказывают: ежегодно сжигается около 40 миллионов тонн этих перьев, выбрасывая при этом диоксид серы и углекислый газ.
Между тем, кератин на самом деле является невероятно полезным ингредиентом во многих отраслях, от медицины до упаковки. Но исследователи нового исследования поставили перед собой цель использовать зеленую энергию для бесполезного шквала перьев.
Они положили глаз на важнейший компонент водородных топливных элементов, который остро нуждается в обновлении. Водородные топливные элементы генерируют электричество путем объединения водорода с атомами кислорода и производят чистую электрохимическую реакцию вместо сгорания. Ключом к этому процессу является полупроницаемая мембрана клетки, через которую протоны могут перемещаться, вызывая необходимую химическую реакцию. Однако «обычные мембраны топливных элементов состоят из высокотоксичных полимеров, которые не поддаются разложению и сохраняются в окружающей среде», — говорит ведущий автор статьи Раффаэле Меззенга, ученый-материаловед из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
Однако проницаемый кератин дает возможность создать нетоксичную альтернативу. Сначала Меззенга и его команда приступили к выделению кератина из куриных перьев с помощью экологически чистого процесса, а затем применили термическую обработку, чтобы превратить ингредиент в фибриллы.
Важно отметить, что эти нитевидные нити белковых молекул невероятно устойчивы в таких условиях, как высокие температуры топливного элемента, и поэтому представляют собой прочные строительные блоки. Затем фибриллы были смешаны с другими ингредиентами для повышения их электропроводности, затем высушены и превращены в плоскую мембрану. Наконец, это было включено в конструкцию коммерческого водородного топливного элемента.
Когда исследователи протестировали его, это был ошеломляющий успех: топливный элемент смог преобразовывать водород и кислород в электричество, доказательством чего является тот факт, что он питал две светодиодные лампы. В ходе дальнейших испытаний он управлял вентилятором с двигателем и игрушечной машинкой. Помимо электричества, единственным побочным продуктом топливных элементов была вода.
Меззенга говорит, что он воодушевлен «явной демонстрацией того, что пищевые отходы, которые в настоящее время сжигаются или, в лучшем случае, служат своего рода кормом для животных, могут быть преобразованы в мембраны для производства чистой электрической энергии».
Исследователи обнаружили, что энергия, создаваемая перьевой мембраной, не только сравнима с энергией традиционных топливных элементов, но и обходится вдвое дешевле, причем без обычного воздействия на окружающую среду. «Мы начинаем с побочных потоков, которые обычно сжигаются (генерируя CO2), и вместо того, чтобы способствовать выбросам CO2, мы используем их для производства энергии с нулевым углеродным следом», — объясняет Меззенга. «Поэтому общий углеродный баланс очевидно отрицательный».
Эта альтернатива сжиганию отходов без выбросов может помочь снизить значительное влияние выбросов в сельском хозяйстве, одновременно способствуя переходу на чистую энергию — довольно впечатляющая пара достижений для скромного и нелюбимого куриного пера.
Сейчас Меззенга и его команда с энтузиазмом сосредоточены на том, чтобы сделать свою изобретательную мембранную технологию массовой. «Мы планируем превратить эту лабораторную проверку концепции в прибыльную технологию, способную производить чистую энергию, сохраняя при этом окружающую среду», — говорит он. «Мы убеждены, что это можно сделать в промышленном масштабе».
Меззенга и др. ал. « Возобновляемая энергия из отходов животноводства: топливные элементы из перьевого кератина на основе амилоида ». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 2023.