Сонячний «штучний листок» робить водень із морської води й руйнує гідразин
Дослідники з Наньянського технологічного університету (NTU) у Сінгапурі створили пристрій на сонячній енергії, який виробляє водень із морської води й водночас руйнує гідразин — надзвичайно токсичний забруднювач промислових стічних вод. Роботу детально описано в журналі Nature Communications.
Команда називає цю концептуальну конструкцію «штучним листком»: вона поєднує мініатюрний сонячний елемент, електролізер і систему очищення стічних вод в одному пристрої. Її надихнуло справжнє листя, яке використовує сонячне світло для запуску хімічних реакцій.
Дві проблеми — один пристрій
Під час випробувань пристрій стабільно працював понад 72 години й виробляв водень зі швидкістю 466 мікромолей на квадратний сантиметр за годину. В окремому експерименті більша версія знизила концентрацію гідразину в забрудненій воді з 0,5 моляра (приблизно 1,6 % за масою) до 0,5 частки на мільярд приблизно за 30 годин. Це більш ніж у 20 разів нижче за ліміт Агентства з охорони довкілля США в 10 часток на мільярд, на який посилаються дослідники.
«Цей пристрій подвійної дії — великий крок уперед для екологічних технологій, — сказала професорка Лідія Вонг, одна з дослідників. — Ефективно використовуючи сонячну енергію для розкладання токсичного промислового забруднювача й одночасно отримуючи чисте паливо, ми вирішуємо і енергетичну проблему, і проблему забруднення».
Як працює хімія
Електроліз розщеплює воду на водень і кисень за допомогою електрики: водень утворюється на негативному електроді (катоді), а кисень — на позитивному (аноді). Кисень часто просто викидається, тож багато енергії витрачається на «відходний» продукт. Морська вода приваблива як сировина, бо її багато, проте її хлорид роз’їдає електроди й може запускати реакції, що утворюють токсичні сполуки хлору.
Команда NTU замінила виробництво кисню на аноді розкладанням гідразину. Спеціальний каталізатор перетворює гідразин на газоподібний азот і додатково генерує водень. Розкладання гідразину потребує набагато менше енергії, ніж виробництво кисню, тому вихід водню на катоді стає енергоефективнішим. Каталізатор містить залізо, кобальт і хром, що робить його стійким до корозії та допомагає пригнічувати токсичні сполуки хлору.
Перовскітний катод, що сам себе живить
Катод виготовлено з галогенідних перовскітів свинцю — напівпровідників, які поглинають світло й перетворюють його на електрику. Це дає змогу пристрою працювати без зовнішнього джерела живлення. Перовскіти вразливі до вологи та агресивних хімікатів, тому дослідники захистили їх шаром струмопровідної епоксидної смоли з частинками срібла й міді та титановою фольгою, яка не пропускає воду, але пропускає заряд. Титан покрили тонким шаром платини, щоб полегшити виробництво водню.
Умови випробувань і результати
Пристрій помістили в лужні розчини імітованої та справжньої морської води з доданим гідразином під штучним світлом, що дорівнює інтенсивності сонячного світла в ясний день. В обох випадках він створював густину фотоструму близько 25 міліампер на квадратний сантиметр — одну з найвищих серед зафіксованих для свинцевих перовскітних фотокатодів — без зовнішньої електрики. Для тесту з гідразином команда збільшила фотокатод з 0,56 до 6,25 квадратного сантиметра. Вони також випробували листок просто неба під природним сонячним світлом і побачили, як утворюються бульбашки водню та азоту, що показує: він може працювати поза лабораторним освітленням.
Результати отримано на лабораторному прототипі, а не на комерційній системі. Читайте більше в нашому розділі технологій.