Cercetătorii au creat un sistem pentru a transforma apa de mare în combustibil cu hidrogen

Amestecul de hidrogen, oxigen, sodiu și alte elemente din apa de mare o face pe aceasta vitală pentru viața pe Pământ. Dar aceeași chimie complexă a făcut dificilă extragerea hidrogenului gazos pentru utilizări de energie curată. Un sistem care extrage hidrogen combustibil din apa de mare ar putea rezolva problema.

Cercetătorii de la SLAC National Accelerator Laboratory al Departamentului de Energie din SUA și de la Universitatea Stanford, împreună cu colaboratorii de la Universitatea din Oregon și Universitatea Metropolitană din Manchester (Anglia), au găsit o modalitate de a scoate combustibil cu hidrogen din apa de mare printr-un sistem cu membrană dublă și electricitate.

• Exoplaneta Trappist-1 b ar putea avea atmosferă, dezvăluie Telescopul Webb
• Inima celei mai vulcanice lumi din Sistemul Solar este mai solidă decât s-a crezut

Designul lor inovator s-a dovedit a avea succes în generarea de hidrogen gazos fără a produce cantități mari de produse secundare dăunătoare. Rezultatele studiului lor, publicat în Joule, ar putea duce la un progres în producerea de combustibili cu emisii scăzute de carbon.

„Multe sisteme apă-hidrogen încearcă astăzi să utilizeze o membrană monostrat, adică cu un singur strat. Studiul nostru a reunit două straturi”, a spus Adam Nielander, cercetător asociat la Centrul SUNCAT pentru Știința și Cataliza de Interfețe, o instituție comună SLAC-Stanford.

„Aceste arhitecturi cu membrane ne-au permis să controlăm modul în care ionii din apa de mare s-au mișcat în experimentul nostru”, spune Nielander.

De ce avem nevoie de combustibil cu hidrogen din apa de mare?

Hidrogenul gazos este un combustibil cu emisii scăzute de carbon utilizat în prezent în multe moduri, cum ar fi pentru vehicule electrice cu celule de combustibil și ca opțiune de stocare a energiei pe durată lungă, una care este potrivită pentru a stoca energie timp de săptămâni, luni sau mai mult pentru rețelele electrice.

Multe încercări de a produce hidrogen gazos încep cu apă proaspătă sau desalinizată, dar acele metode pot fi costisitoare și consumatoare de energie, subliniază Tech Xplore.

Apa tratată este mai ușor de prelucrat, deoarece are mai puține substanțe (elemente chimice sau molecule) în componență. Cu toate acestea, purificarea apei este costisitoare, necesită energie și adaugă complexitate dispozitivelor, au spus cercetătorii. O altă opțiune, apa dulce naturală, conține și ea o serie de impurități care sunt problematice pentru tehnologia modernă, pe lângă faptul că reprezintă o resursă mai limitată pe planetă, au spus aceștia.

Ce a proiectat echipa de cercetători?

Pentru a lucra cu apa de mare, echipa a implementat un sistem de membrană bipolar (cu două straturi) și l-a testat folosind electroliza, o metodă care folosește electricitatea pentru a antrena ionii pentru a rula o reacție dorită. Oamenii de știință și-au început proiectarea prin controlul celui mai dăunător element pentru sistemul de apă de mare, clorura, a spus Joseph Perryman, cercetător postdoctoral la SLAC și Stanford.

„Există multe specii reactive în apa de mare care pot interfera cu reacția apă-hidrogen, iar clorura de sodiu care face apa de mare sărată este unul dintre principalii vinovați. În special, clorura care ajunge la anod și oxidează va reduce durata de viață a unui sistem de electroliză și poate deveni de fapt nesigură din cauza naturii toxice a produselor de oxidare care includ clor molecular și înălbitor”, a spus Perryman.

Membrana bipolară din experiment permite accesul la condițiile necesare pentru a produce hidrogen combustibil din apa de mare și atenuează intrarea clorurii în centrul de reacție.

„În esență, noi dublăm modalitățile de a opri această reacție a clorurii”, a spus Perryman.

Sistemul ideal care să extragă combustibil cu hidrogen din apa de mare

Un sistem de membrană ideal îndeplinește trei funcții principale: separă hidrogenul și oxigenul din apa de mare; ajută la deplasarea numai a ionilor utili de hidrogen și hidroxid, limitând în același timp alți ioni din apă de mare; și ajută la prevenirea reacțiilor nedorite. Obținerea tuturor acestor trei funcții simultan este dificilă, iar cercetarea echipei este orientată spre explorarea sistemelor care pot combina eficient toate aceste trei nevoi.

Mai exact, în experimentul lor, protonii, care erau ioni pozitivi de hidrogen, au trecut printr-unul dintre straturile membranei într-un loc unde puteau fi colectați și transformați în hidrogen gazos prin interacțiunea cu un electrod încărcat negativ (catod). A doua membrană din sistem le-a permis doar ionilor negativi, cum ar fi clorura, să treacă prin ea.

Ca protecție suplimentară, un strat de membrană conținea grupuri încărcate negativ care erau fixate pe membrană, ceea ce a făcut mai greu pentru alți ioni încărcați negativ, cum ar fi clorura, să se deplaseze în locuri unde nu ar trebui să fie, a spus Daniela Marin, absolventă la Stanford în inginerie chimică și coautoare a studiului.

Membrana încărcată negativ s-a dovedit a fi foarte eficientă în blocarea aproape tuturor ionilor de clorură din experimentele echipei, iar sistemul a funcționat fără a genera produse secundare toxice precum înălbitorul și clorul.

Ce alte progrese a adus acest studiu?

Pe lângă proiectarea unui sistem de membrană care transformă apa de mare în hidrogen, studiul a oferit și o mai bună înțelegere generală a modului în care ionii din apa de mare s-au deplasat prin membrane, au spus cercetătorii. Aceste cunoștințe i-ar putea ajuta pe oamenii de știință să proiecteze membrane mai puternice și pentru alte aplicații, cum ar fi producerea de oxigen gazos.

„Există, de asemenea, un anumit interes în utilizarea electrolizei pentru a produce oxigen. Înțelegerea fluxului ionic și conversia în sistemul nostru cu membrană bipolară este de asemenea esențială pentru acest efort. Pe lângă producerea de hidrogen în experimentul nostru, am arătat, de asemenea, cum să folosim membrana bipolară pentru a genera oxigen gazos”, a spus Marin.

În continuare, echipa plănuiește să-și îmbunătățească electrozii și membranele, construindu-le cu materiale care sunt mai abundente și mai ușor de extras. Această îmbunătățire a designului ar putea face sistemul de electroliză mai ușor de scalat la dimensiunea necesară pentru a genera hidrogen pentru activități consumatoare de energie, cum ar fi sectorul transporturilor, a spus echipa.

Vă recomandăm să citiți și:

Restaurarea coralilor, posibilă cu ajutorul instrumentelor inspirate din arta minimalistă

Internetul cuantic ar putea fi atins cu nanostructuri de diamant

Cercetătorii au creat oglinzi „cu membrană” pentru telescoape spațiale

Un experiment revoluționar dezvăluie că lumina poate traversa golurile în timp