Инженеры Иллинойсского университета в Чикаго помогли разработать новый метод получения водорода из воды, используя только солнечную энергию и сельскохозяйственные отходы, такие как навоз или шелуха. Метод снижает энергию, необходимую для извлечения водорода из воды, на 600%, создавая новые возможности для устойчивого, экологически безопасного химического производства.
Водородное топливо является одним из наиболее перспективных источников чистой энергии. Но производство чистого газообразного водорода — энергоемкий процесс, для которого часто требуется уголь или природный газ и большое количество электроэнергии.
В статье для Cell Reports Physical Science многопрофильная группа под руководством инженера UIC Минеша Сингха представляет новый процесс производства экологически чистого водорода.
Метод использует богатое углеродом вещество под названием биоуголь для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для преобразования воды в водород. Используя возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, и улавливая побочные продукты для других целей, процесс может сократить выбросы парниковых газов до чистого нуля.
«Мы первая группа, которая показала, что можно производить водород, используя биомассу при напряжении в доли вольта», — сказал Сингх, доцент кафедры химического машиностроения. «Это преобразующая технология».
Электролиз, процесс расщепления воды на водород и кислород, требует электрического тока. В промышленных масштабах для производства электроэнергии обычно требуется ископаемое топливо.
Недавно ученые снизили напряжение, необходимое для расщепления воды, путем введения в реакцию источника углерода. Но в этом процессе также используется уголь или дорогие химикаты, а в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ.
Сингх и его коллеги модифицировали этот процесс, чтобы вместо него использовать биомассу из обычных отходов. Смешивая серную кислоту с сельскохозяйственными отходами, отходами животноводства или сточными водами, они создают похожее на суспензию вещество, называемое биоуголь, богатое углеродом.
Команда экспериментировала с различными видами биоугля, изготовленного из шелухи сахарного тростника, отходов конопли, бумажных отходов и коровьего навоза. При добавлении в электролизную камеру все пять разновидностей биоугля снижали мощность, необходимую для преобразования воды в водород. Лучший показатель, коровий навоз, снизил потребность в электричестве в шесть раз до примерно одной пятой вольта. Потребность в энергии была достаточно низкой, чтобы исследователи могли обеспечить реакцию с помощью одного стандартного кремниевого солнечного элемента, генерирующего примерно 15 миллиампер тока при 0,5 вольт. Это меньше количества энергии, вырабатываемой батарейкой АА.
«Он очень эффективен: почти 35% биоугля и солнечной энергии преобразуется в водород», — сказал Рохит Чаухан, соавтор и научный сотрудник лаборатории Сингха. «Это мировые рекорды; это самый высокий показатель, который кто-либо демонстрировал».
Чтобы сделать процесс чистым нулевым, он должен улавливать углекислый газ, образующийся в результате реакции. Но Сингх сказал, что это также может иметь экологические и экономические преимущества, такие как производство чистого углекислого газа для газирования напитков или его преобразование в этилен и другие химикаты, используемые в производстве пластика.
«Это не только диверсифицирует использование биологических отходов, но и позволяет производить экологически чистые химические вещества, помимо водорода», — сказал выпускник UIC Нишитхан Кани, соавтор статьи. «Этот дешевый способ производства водорода может позволить фермерам стать самостоятельными в удовлетворении своих энергетических потребностей или создать новые потоки доходов».
Компания Orochem Technologies Inc., спонсировавшая исследование, подала заявки на патенты на свои процессы производства биоугля и водорода, и команда UIC планирует протестировать эти методы в больших масштабах.
Помимо Сингха, Кани и Чаухана, соавтором статьи был аспирант МСЖД Раджан Бхавнани. Другие соавторы представляют Стэнфордский университет, Техасский технологический университет, Индийский технологический институт Рурки, Корейский университет и компанию Orochem Technologies Inc.