Химики из Колумбийского университета разработали автономный плавучий электролизер для получения водорода из морской воды с помощью солнечных батарей. Благодаря использованию асимметричных электродов, покрытых катализатором только с одной стороны, удалось добиться чистоты полученного водорода в 99 процентов, пишут ученые в International Journal of Hydrogen Energy.

Одной из альтернатив углеводородному топливу, при сжигании которого образуются нежелательные парниковые газы, является водород. Сейчас чистый водород используется в качестве ракетного топлива, однако из-за трудностей при его получении традиционные вида топлива на Земле он пока не заменил. Один из потенциальных экологически безвредных способов получения водорода — это электролиз воды. Однако пока все предложенные его разновидности или не слишком эффективны и требуют больших мощностей, или не позволяют получать водород в достаточно чистом виде.

Группа химиков из Колумбийского университета под руководством Дэниэла Эспозито (Daniel Esposito) предложила новую конфигурацию электролитической ячейки для электролиза морской воды на основе солнечных элементов и получения из нее водородного топлива. Плавучий электролизер, работающий автономно от солнечной батареи, ученые изготовили с помощью 3D-печати.

Сверху изображен автономный электролизер, плавющий на поверхности воды. Снизу представлена общая схема устройства и схема механизма работы его отдельной ячейки. J. T. Davis et al./ International Journal of Hydrogen Energy, 2017

Для увеличения эффективности преобразования солнечной энергии в водородное топливо химики предложили использовать асимметричные электроды. Основу таких электродов составляла титановая сетка, состоящая из 40 отдельных нитей, которую покрывали катализатором только с одной стороны. Использование асимметричных электродов приводило к тому, что образование газов (кислорода и водорода) происходило только на их внешней части. Это позволило полностью разделить потоки пузырьков водорода и кислорода, которые после отрыва от поверхности электрода собирались в специальных камерах, расположенных в верхней части устройства.

Ученые сравнили эффективность работы симметричной и асимметричной разновидностей устройств. Состав газовой смеси химики проанализировали с помощью газовой хроматографии. В устройстве с асимметричными электродами содержание кислорода в водороде при максимальном угле наклона электродов (30 градусов) составило всего 1 процент, тогда как в симметричном оно, как минимум, в семь раз выше. Поскольку взрывоопасной смесь водорода и кислорода становится, если в ней есть хотя бы 5 процента водорода и хотя бы 4 процентов кислорода, водород, полученный с помощью такой ячейки, можно безопасно использовать в дальнейшем. Эффективность преобразования солнечной энергии при работе устройства составила 5,7 процента.

По словам ученых, размер таких устройств может быть практически неограниченно увеличен без потери эффективности. А полностью автономная работа электролизера позволит в будущем использовать его в качестве возобновляемого источника водорода. Тем не менее, авторы работы отмечают, что для промышленной реализации архитектура таких устройств и состав катализатора должны быть улучшены.

Полученный в результате электролиза морской воды водород можно использовать не только в качестве будущего ракетного топлива но и, например, для увеличения плавучести водоплавающих роботов. Если роботу необходимо вынырнуть, то смесь водорода и кислорода можно поджечь с помощью электрического разряда.

Автор: Александр Дубов