«Искусственный лист» на солнце даёт водород из морской воды и разлагает ядовитый гидразин
Исследователи из Наньянского технологического университета (NTU) в Сингапуре создали устройство на солнечной энергии, которое получает водород из морской воды и одновременно разлагает гидразин — крайне токсичный загрязнитель промышленных сточных вод. Работа описана в журнале Nature Communications.
Команда называет экспериментальную конструкцию «искусственным листом»: в одном устройстве объединены миниатюрный солнечный элемент, электролизёр и система очистки сточных вод. Идея подсказана настоящими листьями, которые используют солнечный свет для химических реакций.
Две проблемы — одним устройством
В испытаниях устройство стабильно работало более 72 часов и вырабатывало водород со скоростью 466 микромолей на квадратный сантиметр в час. В отдельном эксперименте увеличенная версия снизила концентрацию гидразина в загрязнённой воде с 0,5 моляра (около 1,6% по массе) до 0,5 частей на миллиард примерно за 30 часов. Это более чем в 20 раз ниже предела Агентства по охране окружающей среды США — 10 частей на миллиард, на который ссылаются исследователи.
«Это двухфункциональное устройство — большой шаг вперёд для экологических технологий, — сказала профессор Лидия Вонг, одна из исследователей. — Эффективно используя солнечную энергию для разложения токсичного промышленного загрязнителя и одновременно получая чистое топливо, мы решаем и энергетическую проблему, и проблему загрязнения».
Как устроена химия
Электролиз расщепляет воду на водород и кислород с помощью электричества: водород образуется на отрицательном электроде (катоде), а кислород — на положительном (аноде). Кислород часто просто выбрасывают, так что много энергии уходит на «побочный» продукт. Морская вода привлекательна как сырьё, потому что её много, но хлорид в ней разъедает электроды и может запускать реакции с образованием токсичных соединений хлора.
Команда NTU заменила на аноде получение кислорода разложением гидразина. Специальный катализатор превращает гидразин в газообразный азот и заодно выделяет дополнительный водород. Разложение гидразина требует гораздо меньше энергии, чем получение кислорода, поэтому выработка водорода на катоде становится энергетически эффективнее. Катализатор содержит железо, кобальт и хром — это делает его устойчивым к коррозии и помогает подавлять токсичные соединения хлора.
Перовскитный катод, который сам даёт питание
Катод сделан из галогенидных перовскитов свинца — полупроводников, которые поглощают свет и превращают его в электричество. Поэтому устройство работает без внешнего источника питания. Перовскиты уязвимы к влаге и агрессивным веществам, и исследователи защитили их слоем токопроводящей эпоксидной смолы с частицами серебра и меди и титановой фольгой, которая не пускает воду, но пропускает заряд. Титан покрыли тонким слоем платины, чтобы облегчить выработку водорода.
Условия испытаний и результаты
Устройство помещали в щелочные растворы имитированной и настоящей морской воды с добавленным гидразином под искусственным светом, равным по интенсивности солнечному в ясный день. В обоих случаях оно давало плотность фототока около 25 миллиампер на квадратный сантиметр — одну из самых высоких среди сообщённых для свинцовых перовскитных фотокатодов — без внешнего электричества. Для испытания с гидразином команда увеличила площадь фотокатода с 0,56 до 6,25 квадратного сантиметра. Кроме того, «лист» испытали на улице при естественном солнечном свете и увидели пузырьки водорода и азота: он способен работать вне лабораторного освещения.
Результаты получены на лабораторном прототипе, а не на коммерческой системе. Больше — в нашем разделе «Технологии».