Энергетический прорыв: новый метод добычи водорода удваивает выход и сокращает затраты

Учёные разработали новую технологию, которая удваивает количество водорода, производимого при расщеплении молекул воды электричеством. Метод заключается в добавлении в реактор простой органической молекулы и модифицированного катализатора.

Усовершенствованный подход снижает энергозатраты до 40% и может стать «перспективным путём для эффективного и масштабируемого производства водорода», заявили исследователи в новом исследовании, опубликованном 1 декабря в Chemical Engineering Journal.

«Водород — одно из самых востребованных химических веществ», — сказал Live Science соавтор исследования Хамед Хейдарпур, докторант Университета Макгилла в Монреале (Канада). Он отметил, что водород используется для производства аммиака в удобрениях, в топливных элементах для генерации электроэнергии или сжигается для прямого получения энергии.

Основной способ производства водорода — паровая конверсия, которая включает реакцию воды с природным газом при высоких температурах и давлениях для разделения атомов кислорода и водорода. Но такие условия делают процесс энергоёмким и требующим сжигания большого количества ископаемого топлива.

Использование электричества для расщепления воды на молекулы водорода и кислорода — метод, известный как электролиз, — потенциально может предложить способ получения водорода без прямых выбросов углекислого газа.

Это работает путём подключения двух металлических пластин, известных как электроды, к источнику постоянного тока и погружения их концов в воду. Подача электричества в цепь генерирует водород на отрицательном электроде (катоде) и кислород на положительном (аноде).

Однако в настоящее время электролиз воды неэффективен, дорог и потребляет много электроэнергии, которая часто поступает из невозобновляемых источников. Основная неэффективность связана с производством кислорода на аноде, объяснил Хейдарпур.

Чтобы решить эту проблему, команда, стоящая за новым исследованием, модифицировала стандартную установку для электролиза, заменив реакцию образования кислорода на реакцию, производящую водород путём окисления органической молекулы.

Сначала исследователи установили две камеры, содержащие растворы гидроксида калия (КОН), разделённые тонкой мембраной, а затем подключили электрод к каждой камере, чтобы сформировать цепь. Команда добавила в анодную камеру химическое вещество под названием гидроксиметилфурфурол (ГМФ), а также модифицированный медный катализатор. Хейдарпур отметил, что атомы хрома на поверхности их специально разработанного катализатора способствуют производству водорода, стабилизируя атомы меди в реакционноспособном состоянии.

Когда команда подала электричество, электроны с анода окислили альдегидные группы в молекулах ГМФ. Это привело к образованию водорода и побочного продукта под названием ГМФК, который может использоваться в качестве химического сырья для производства биопластиков, сказал Хейдарпур.

Этот адаптированный метод эффективно удваивает количество водорода, получаемого за один цикл, если также учитывать водород, образующийся при обычном расщеплении молекул воды на катоде.

Реакции также протекали при напряжении около 0,4 вольт, что примерно на 1 вольт ниже, чем при традиционном электролизе воды. Исследователи заявили, что это помогает снизить общее энергопотребление до 40%.

Хейдарпур отметил, что его команда не первая, кто сообщает о подобной стратегии, но объяснил, что им удалось увеличить общую скорость производства водорода за счёт использования более эффективного катализатора.

ГМФ часто получают путём расщепления несъедобных растительных материалов, таких как остатки бумаги, что делает его привлекательным реагентом для использования в таких системах. Однако в настоящее время ГМФ — дорогой материал.

Вместо него могут использоваться другие молекулы, содержащие альдегиды, например, формальдегид. «Там, где есть избыток низкоценных органических субстратов, их окисление в более ценные химические вещества с одновременным производством водорода может быть привлекательным и экологически безопасным способом получения двух видов сырья одновременно», — отметил в электронном письме Live Science Марк Саймс, профессор электрохимии и электрохимических технологий Университета Глазго, не участвовавший в исследовании.

Исследователи отметили, что ещё есть возможности для улучшения процесса, чтобы сделать его более эффективным.

Например, необходима дальнейшая работа по повышению стабильности катализатора, чтобы он «мог работать тысячи часов в промышленных условиях», сказал Хейдарпур.

Этот метод не только делает «зелёный» водород экономически более доступным, но и предлагает ценную синергию: параллельное производство полезных химикатов для биопластиков. Таким образом, технология потенциально может стать основой для интегрированных биорефинерных комплексов будущего, где отходы сельского и лесного хозяйства превращаются одновременно в экологичное топливо и сырьё для биоразлагаемых материалов, замыкая углеродный цикл и снижая зависимость от нефти.